Une équipe de chercheurs du FAMU-FSU College of Engineering à l’Institut des matériaux à haute performance explore les limites thermiques des nanomatériaux avancés, des travaux qui pourraient avoir un impact direct sur les systèmes d’administration de médicaments, l’électronique, les voyages spatiaux et d’autres applications.
L’équipe de recherche, dirigée par la professeure adjointe en génie industriel et manufacturier Rebekah Sweat, a terminé la toute première étude sur la façon dont les nanotubes de nitrure de bore purifiés restent stables à des températures extrêmes dans des environnements inertes.
Leurs travaux ont été publiés dans la revue Nano matériaux appliqués.
Les nanotubes de nitrure de bore, ou BNNT, sont plus solides et plus résistants aux hautes températures que les nanotubes de carbone. Comme leurs cousins carbonés, ce sont des structures mesurées au nanomètre, une longueur égale à un milliardième de mètre.
Mais la fabrication de ces matériaux est un défi. Les méthodes actuelles pour les BNNT sont plus récentes et ne produisent pas encore les mêmes quantités que les méthodes conçues pour les nanotubes de carbone. C’est pourquoi il est important d’en savoir plus sur leur fonctionnement.
Les chercheurs ont découvert que les BNNT sont parfaitement stables jusqu’à 1800°C dans un environnement inerte, l’atmosphère chimiquement inactive dans laquelle ils sont fabriqués. Ils ont également appris que les BNNT peuvent résister à des températures de 2200°C pendant de courtes périodes sans perdre les propriétés mécaniques qui les rendent si efficaces.
« Cette recherche vise à découvrir une propriété incroyablement utile pour l’avenir », a déclaré Sweat. « Nous avons une connaissance plus solide de la façon dont les BNNT fonctionnent quand et comment ils échouent thermiquement, car tous les matériaux ont des limites. Nous avons changé la façon dont nous fabriquons ces types de composites pour mieux utiliser leurs propriétés. »
Les applications potentielles de ces matériaux composites légers et résistants sont nombreuses. Tout ce qui chauffe, comme une turbine ou un moteur, peut les utiliser pour fonctionner dans un environnement à haute température. Ils sont thermiquement conducteurs, c’est-à-dire qu’ils diffusent rapidement la chaleur, et leur stabilité mécanique offre un renforcement structurel.
Les BNNT sont particulièrement prometteurs pour leur utilisation dans l’exploration spatiale. Leur capacité à conduire la chaleur, à isoler le courant électrique et à bloquer le rayonnement pourrait être utilisée dans des rovers spatiaux ou un vaisseau spatial lors de la rentrée dans l’atmosphère terrestre. Ces mêmes propriétés les rendent également utiles pour l’électronique haute performance.
« Comprendre le comportement de ces nanotubes à haute température est crucial pour créer des matériaux capables de résister à des conditions extrêmes, à la fois dans la fabrication et dans leur utilisation finale », a déclaré l’auteur principal et doctorant Mehul Tank. « Comme nous comprenons mieux comment ils fonctionnent dans ces conditions, nous serons en mesure de développer une meilleure fabrication de composites qui utilisent des matrices de traitement à haute température, comme la céramique et les métaux. »
Ce travail a été partiellement financé par une subvention du programme d’investissement GAP Commercialization de la FSU, un événement organisé par le Bureau de la commercialisation pour aider à transformer la recherche universitaire en projets commerciaux potentiels. Le financement que Sweat a reçu en 2022 dans le cadre du processus de demande concurrentiel du Bureau de la commercialisation a soutenu la phase de ce travail qui a révélé les températures de traitement des composites à matrice céramique BNNT qui sont au centre du projet GAP.
Parallèlement au financement du GAP, cette étude a également été soutenue par un partenariat avec la société BNNT Materials, basée en Virginie. La société synthétise des BNNT et a travaillé avec des chercheurs de la Florida State University pour découvrir comment les nanotubes ont survécu à des températures élevées et comment différentes chimies se comporteront.
« GAP a aidé mon équipe à explorer de nouvelles voies et a encouragé la collaboration pour faire avancer ce travail », a déclaré Sweat. « Le processus de candidature et l’accent mis sur la traduction de la recherche du laboratoire en matériaux pertinents pour l’industrie aident à concentrer nos recherches sur des technologies émergentes passionnantes. »
Plus d’information:
Mehul J. Tank et al, Stabilité thermique extrême et mécanismes de dissociation des nanotubes de nitrure de bore purifiés : implications pour les nanocomposites à haute température, Nanomatériaux appliqués par ACS (2022). DOI : 10.1021/acsanm.2c01965