氮化硼纳米管(BNNTs)，因其预测的特殊性质而受到关注；然而，合成和加工方面的挑战，阻碍了宏观材料的发展。最近的进展，已经实现了高纯度硼化氮纳米管的生产。

在此，来自美国莱斯大学的Angel A. Martí & Matteo Pasquali等研究者报告了整齐的氮化硼纳米管在氯磺酸(CSA)中溶解，并在浓度超过170 ppmw时形成双折射液晶域。相关论文以题为“Liquid crystals of neat boron nitride nanotubes and their assembly into ordered macroscopic materials”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30378-5

氮化硼纳米管是一种高纵横比的棒状纳米结构，直径只有几纳米，长度只有微米。化学上，硼氮纳米管由交替的硼和氮原子组成，形成一个六边形结合的薄片，滚动形成无缝的圆柱形结构，从而产生了几种独特的特性。除了机械强度外，硼氮纳米管还具有导热性、电绝缘性、中子屏蔽性、压电性以及在空气中高达900摄氏度的热稳定性。这些特性，在许多应用中都是理想的，包括航空航天、电子和节能材料。然而，氮化硼纳米管的效用尚未完全实现，因为它们的显著性质仅在微观水平上被观察到。未来材料质量和加工技术的改进，将使BNNT制品在极端环境下具有优异的性能。

通过控制长程有序，纳米级积木的固有属性可以转化为宏观尺度，就像碳纳米管(CNTs)一样，碳纳米管是硼化硼纳米管的结构类似物，除了优越的热稳定性外，还有许多理想的属性。例如，紧密排列和高度排列的CNT纤维，通过多种途径获得高性能(例如，拉伸强度超过4GPa，电导率超过10ms /m)，包括直接纺丝、湿纺和地毯纺丝。到目前为止，这些方法都没有被有效地用于生产订购的BNNT材料。在这些路线中，湿法纺丝是最容易适应处理氮化硼纳米管，因为它独立于合成方法。然而，湿纺需要纳米管的溶剂，最好是纳米棒液晶的形成。使用氯磺酸(CSA)可以实现个体化BNNTs的分散。Kleinerman等人假设BNNT外壁氮原子的质子化，使其表面产生净正电荷;带正电的硼化碳纳米管相互排斥导致其个体化，碳纳米管也是如此。

然而，BNNTs的键结构会将质子定位在氮原子上，这与CNTs不同，当CNTs溶解在酸中时，共享的π电子倾向于离域，从而进一步稳定正电荷。这种不太有效的电荷稳定(以及氮原子上的电荷定位)，可能会导致碳纳米管在CSA中残留一些长程吸引力(CSA中碳纳米管不存在这种吸引力)，这与本研究中观察到的高于预期的各向同性-向列相相变相一致。到目前为止，BNNT液晶的形成尚未实现，可能是由于样品杂质(如六方氮化硼(h-BN)和单质硼)阻碍了BNNT的个体化和排列。先前的研究表明DNA-BNNT杂化体系具有自发的有序性，但只有在过滤或蒸发去除溶剂后的DNA-包裹的BNNTs干燥膜中才能观察到排列的结构。

在此，研究者分析表明，在浓度低至170 ppm的情况下，高质量、纯化的氮化硼纳米管在CSA中溶解形成液晶，包括双极性向列状锥状化合物;这些结构域可以通过轻微的超声作用合并成块状向列相结构域。这些锥状结构域，在毛细血管的光声作用下合并成毫米大小的区域。低温电子显微镜直接显示了氮化硼纳米管在溶液中的向列排列。BNNT液晶可以加工成排列整齐的薄膜，并挤压成整齐的BNNT纤维。对氮化硼纳米管向列相液晶的研究表明，它们具有形成宏观材料用于高性能应用的能力。

图１ 轻度纯化的氮化硼纳米管(LP-BNNTs)和高度纯化的氮化硼纳米管(HP-BNNTs)纯度评估。

图2 BNNTs的液晶。

图3 BNNTs的排列薄膜。

图4 溶液纺成的BNNTs纤维。

总之，研究者的工作证明，纯化的少壁BNNTs可溶于CSA，并可加工成宏观材料。BNNTs在CSA中形成向列相液晶，包括锥状液晶，在测试的浓度(~ 1%)的双相溶液中。研究者使用毛细管变薄流变仪测量了碳纳米管的长径比，这提供了一个重要的结构参数(类似于聚合物的特性粘度)，因为宏观碳纳米管材料的力学和热性能应该随长径比缩放，正如碳纳米管所示。这项工作展示了一种可扩展的方法来生产有序的BNNT材料，在极端环境中保持其非凡的性能。（文：水生）

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系，未经许可谢绝转载至其他网站。