Учёные из Университета Райса достигли значительного прогресса в области наноматериалов, раскрывая механизм формирования упорядоченных жидкокристаллических фаз из нитей нитрида бора (BNNT) в водных растворах. Эти нанотрубки известны своей высокой прочностью, термостойкостью и диэлектрическими свойствами. Результаты исследования, опубликованные в журнале Langmuir, были настолько впечатляющими визуально, что украсили обложку выпуска.
Эта красивая иллюстрация не только демонстрирует эстетическую сторону науки на наноуровне, но и отражает суть нового масштабируемого метода выравнивания BNNT в водных дисперсиях с использованием доступного поверхностно-активного вещества (ПАВ) — натрия дезоксихолата (SDC), который является желчным солевым ПАВ. Это открытие открывает перспективы создания новых материалов для аэрокосмической отрасли, электроники и других сфер.
По словам профессора Маттео Паскуали, ведущего автора исследования, работа представляет большой фундаментальный интерес, поскольку демонстрирует возможность использования BNNT в качестве модельной системы для изучения инновационных нанопалочных жидких кристаллов. Главное преимущество BNNT заключается в их относительной прозрачности и хорошей излучаемости с помощью видимого света, в отличие от углеродных нанотрубок, которые образуют тёмные жидкие кристаллы и сложны для наблюдения световой микроскопией.
Для первого автора, Джо Хури, исследование стало больше, чем просто научной работой. Обучавшийся архитектуре в Сирии, а затем переключившийся на химическую инженерию после переезда в США, он с художественным взглядом заметил важные детали. Во время обычного этапа очистки, наблюдая фильтрацию воды из дисперсии, он заметил, что оставшийся материал загустевает и под поляризованным светом начинает излучать свечение — признак формирования жидких кристаллов.
Воодушевившись этим наблюдением, исследователи предположили, что увеличение концентрации SDC может стимулировать самособирание BNNT в упорядоченные нематические фазы. Чтобы проверить гипотезу, они провели серию экспериментов с различными концентрациями SDC в дисперсиях BNNT. С помощью поляризационной микроскопии был визуализирован переход от хаотичных состояний к частично и полностью упорядоченным жидкокристаллическим фазам. Криогенная электронная микроскопия подтвердила высокое разрешение и выравнивание нанотрубок.
Ключевым достижением стало создание первой комплексной фазовой диаграммы BNNT в растворах ПАВ — прогностической карты, позволяющей предсказывать поведение BNNT при различных соотношениях компонентов. По словам Хури, ранее такие вопросы не исследовались так полно: предшествующие работы ограничивались низкими концентрациями BNNT или недостаточным количеством ПАВ. В их исследовании показано, что при правильном соотношении можно индуцировать жидкокристаллическое упорядочение без использования агрессивных химикатов и сложных методик.
Кроме изучения фазовых переходов, команда разработала простой и воспроизводимый способ преобразования дисперсий в тонкие, хорошо выровненные плёнки BNNT. Используя специализированный нож для сдвига материала на стеклянной подложке, они создали прозрачные и прочные плёнки, которые идеально подходят для теплового управления и усиления конструкций — например, для более лёгких и термостойких компонентов электроники или авиационной техники. Рентгеновская дифракция и электронная микроскопия подтвердили аккуратное наномасштабное ориентирование нитей.
Хури подчеркнул, что нематическая упорядоченность в растворе сохраняется и переносится в твёрдую фазу, что открывает масштабируемую платформу для материалов следующего поколения. Исследование прокладывает путь для новых разработок в области лизотропных жидких кристаллов на основе нанопалочек. Метод прост и не требует применения сильных кислот или жёстких условий, что делает его доступным для лабораторий по всему миру. Перспективы охватывают как фундаментальную физику, так и коммерческую инженерную практику.
Паскуали отметил, что это только начало. Благодаря созданной карте маршрута можно тонко настраивать выравнивание BNNT под конкретные задачи, создавая принципиально новый класс функциональных наноматериалов. Он также поделился, что красота полученных изображений завораживает: «Когда Джо прислал варианты для обложки, я почувствовал, словно смотрю на картины Дали или Ван Гога. Обложка могла бы быть башней Барад-дур из ‘Властелина колец’, исполненной в стиле сюрреализма.»
Хури выразил благодарность команде и наставникам, включая Паскуали; Анхеля Марти — профессора и заведующего кафедрой химии, профессора биоинженерии и материаловедения и наноинженерии в Райсе; Чеола Парка из космического центра NASA Langley; Линдси Скэммелл из BNNT LLC; Йешаяху Талмона из Техниона — Израильского технологического института и других, чья поддержка сделала это исследование возможным.
