Clignotant crée du dur

Les scientifiques de l’Université Rice qui « flashent » des matériaux pour synthétiser des substances comme le graphène se sont tournés vers le nitrure de bore, très apprécié pour sa stabilité thermique et chimique.

Le processus mis en œuvre par le laboratoire Rice du chimiste James Tour expose un précurseur à un chauffage et un refroidissement rapides pour produire des matériaux bidimensionnels, en l'occurrence du nitrure de bore pur et du nitrure de carbone-bore. Les deux étaient jusqu’à présent difficiles à créer en masse et presque impossibles à produire sous une forme facilement soluble.

Le rapport du laboratoire dans Advanced Materials détaille comment le chauffage flash Joule, une technique introduite par le laboratoire Tour en 2020, peut être réglé pour préparer des flocons microscopiques purifiés de nitrure de bore avec différents degrés de carbone.

Des expériences avec ce matériau ont montré que les flocons de nitrure de bore peuvent être utilisés dans le cadre d’un puissant revêtement anticorrosion.

"Le nitrure de bore est un matériau 2D très recherché", a déclaré Tour. « Pouvoir le fabriquer en vrac, et désormais avec des quantités mixtes de carbone, le rend encore plus polyvalent. »

À l'échelle nanométrique, le nitrure de bore se présente sous plusieurs formes, notamment une configuration hexagonale qui ressemble au graphène mais avec une alternance d'atomes de bore et d'azote au lieu de carbone. Le nitrure de bore est mou, il est donc souvent utilisé comme lubrifiant et comme additif dans les cosmétiques. On le trouve également dans les céramiques et les composés métalliques pour améliorer leur capacité à supporter des températures élevées.

L'ingénieur chimiste de Rice, Michael Wong, a récemment rapporté que le nitrure de bore est un catalyseur efficace pour aider à détruire les PFAS, un « produit chimique permanent » dangereux présent dans l'environnement et chez les humains.

Le chauffage Flash Joule consiste à placer des matériaux sources entre deux électrodes dans un tube et à envoyer une décharge électrique rapide à travers elles. Pour le graphène, les matériaux peuvent être à peu près tout ce qui contient du carbone, les déchets alimentaires et les pièces de voiture en plastique usagées ne sont que deux exemples. Le processus a également réussi à isoler des éléments de terres rares des cendres volantes de charbon et d’autres matières premières.

Dans des expériences menées par Weiyin Chen, étudiant diplômé de Rice, le laboratoire a introduit du borane d'ammoniac (BH3NH3) dans la chambre flash avec différentes quantités de noir de carbone, en fonction du produit souhaité. L'échantillon a ensuite été flashé deux fois, d'abord avec 200 volts pour dégazer l'échantillon des éléments étrangers et de nouveau avec 150 volts pour terminer le processus, avec un temps de flash total inférieur à une seconde.

Les images au microscope ont montré que les flocons sont turbostratiques – c’est-à-dire mal alignés comme des plaques mal empilées – avec des interactions affaiblies entre eux. Cela rend les flocons faciles à séparer.

Ils sont également facilement solubles, ce qui a conduit aux expériences anticorrosion. Le laboratoire a mélangé du nitrure de bore flash avec de l'alcool polyvinylique (PVA), a peint le composé sur un film de cuivre et a exposé la surface à une oxydation électrochimique dans un bain d'acide sulfurique.

Le composé flashé s'est avéré plus de 92 % plus efficace pour protéger le cuivre que le PVA seul ou un composé similaire contenant du nitrure de bore hexagonal commercial. Des images microscopiques ont montré que le composé créait des « voies de diffusion tortueuses pour les électrolytes corrosifs » pour atteindre le cuivre, et empêchait également les ions métalliques de migrer.

Chen a déclaré que la conductivité du précurseur peut être ajustée non seulement en ajoutant du carbone, mais également en ajoutant du fer ou du tungstène.

Il a déclaré que le laboratoire voyait un potentiel pour produire des matériaux supplémentaires. "Les précurseurs qui ont été utilisés dans d'autres méthodes, telles que le dépôt hydrothermique et chimique en phase vapeur, peuvent être essayés dans notre méthode flash pour voir si nous pouvons préparer davantage de produits présentant des caractéristiques métastables", a déclaré Chen. "Nous avons démontré des carbures métalliques en phase métastable et des dichalcogénures de métaux de transition, et cette partie mérite davantage de recherches."

Les co-auteurs de l'étude sont John Tianci Li, Wala Algozeeb, Paul Advincula, Emily McHugh et Duy Xuan Luong, anciens élèves de Rice, Chang Ge, Zhe Yuan, Jinhang Chen, Kexin Ling, Chi Hun Choi, Kevin Wyss et Zhe Wang, le chercheur Guanhui Gao et Yimo Han, professeur adjoint de science des matériaux et de nano-ingénierie. Tour est titulaire de la chaire TT et WF Chao en chimie ainsi que professeur d'informatique, de science des matériaux et de nano-ingénierie à Rice.