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Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Bornitrid- und Kohlenstoff-Nanoröhren

Ein kürzlich erschienener Fachartikel in der Zeitschrift «Nanomaterials» vergleicht Nanoröhrchen aus Kohlenstoff und Bornitrid (BN). Die weniger gebräuchliche «anorganische» BN-Variante besitzt Vorteile bei thermischer Stabilität und Oxidationsbeständigkeit, ist ihrem «organischen» Gegenpart ansonsten aber erstaunlich ähnlich.

Nanoröhren: Ein Nanomaterial, das nicht unbedingt aus Kohlenstoff bestehen muss

Nanostrukturierte Materialien waren in den letzten Jahren ein «heisses» Forschungsthema, da man sich von ihnen – ob alleine oder als Zusatz in einem Verbundwerkstoff – verbesserte Eigenschaften für zahlreiche Anwendungen versprach. In diesem Kontext haben eindimensionale röhrenförmige Strukturen mit Durchmessern im Nanobereich, allgemein als Nanoröhren oder im Englischen «Nanotubes» bekannt, in den letzten drei Jahrzehnten grosse Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) und Bornitrid-Nanoröhren (BNNTs), die bekanntesten Vertreter der Nanoröhren, haben die gleiche Kristallstruktur – sp2-bindende Atome, die hexagonale Ringe bilden – obwohl sie aus unterschiedlichen Elementen aufgebaut sind. Allerdings ist die C-C-Bindung rein kovalent, während die B-N-Bindung aufgrund der unterschiedlichen Elektronegativität der B- und N-Elemente teilweise ionisch ist.

Obwohl CNTs und BNNTs ähnliche mechanische und physikalische Eigenschaften aufweisen (z.B. Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul, Wärmeleitfähigkeit), zeigen sie auch tiefgreifende Unterschiede. Beispielsweise sind CNTs metallisch oder halbleitend, während BNNTs elektrisch isolierend sind. Beide Arten von Nanoröhren wurden für eine Reihe von neuen Anwendungen in Betracht gezogen, von Sensoren bis hin zu kontrollierter und gezielter Medikamentenabgabe. BNNTs zeichnen sich zusätzlich durch ein geringes Gewicht und gute chemische Beständigkeit aus.

Ein grosser Unterschied in der Oxidationsbeständigkeit

Nanoröhren aus Bornitrid (BN) und Kohlenstoff haben in der Literatur aufgrund ihrer einzigartigen mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften große Aufmerksamkeit erregt. In der aktuellen Studie wurden hochreine BN- und Kohlenstoff-Nanoröhren mit ähnliche grossen spezifischen Oberflächen (≈200 m2/g) systematisch auf ihre thermische Stabilität und ihr Oxidationsverhalten hin untersucht.

Hier zeigte sich bei Temperaturen von bis zu 1300°C an synthetischer Luft, dass die anorganischen Nanoröhren aus Bornitrid lange Zeit stabil blieben und eine gute Oxidationsbeständigkeit bis ca. 900°C besassen. Oberhalb dieser Temperatur wandelten sie sich bis 1100°C durch Reaktion mit Luftsauerstoff vollständig zum nichtflüchtigen Feststoff Boroxid (B2O3) um. Dementgegen waren die Kohlenstoff-Nanoröhren nur bis etwa 450°C stabil, bei ca. 800°C waren sie praktisch vollständig unter Bildung des flüchtigen Oxids CO2 verbrannt.

Die Autoren der Studie erklären die trotz der praktisch identischen Grösse und Struktur sehr unterschiedlichen Oxidationstemperaturen und -mechanismen surch die unterschiedliche chemische Natur der beiden Arten von Nanoröhren. Die wiederum bestätigte hohe chemische und Oxidationsbeständigkeit der anorganischen BN-Nanoröhrchen eröffnet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, zum Beispiel in innovativen Hochtemperatur-Konstruktionsmaterialien, als Bestandteil von elektrisch isolierenden Wärmeleitmaterialien für die Elektronik oder in Entsalzungsmembranen.

(MMo / nano.swiss)

Originalpublikation:

Boron Nitride Nanotubes Versus Carbon Nanotubes: A Thermal Stability and Oxidation Behavior Study, N. Kostoglou, C. Tampaxis, G. Charalambopoulou, G. Constantinides, V. Ryzhkov , C. Doumanidis, B. Matovic, C. Mitterer and C. Rebholz, Nanomaterials 2020 (10), 2435; doi:10.3390/nano10122435

Die Entdeckung der Bornitrid-Nanoröhren:

Boron Nitride Nanotubes, N.G. Chopra, R. J. Luyken, K. Cherrey, V. H. Crespi, M.L. Cohen, S.G. Louie und A. Zettl, Science  269 (5226), 966-967 (1995).  DOI: 10.1126/science.269.5226.966