Boornitride-nanobuisjes: sterke, hittebestendige buisjes op nanoschaal
Stel je een rietje voor, maar dan zo'n honderdduizend keer dunner dan een mensenhaar en opgebouwd uit slechts twee soorten atomen: boor en stikstof. Zo'n buisje heet een boornitride-nanobuis, vaak afgekort tot BNNT (van het Engelse "boron nitride nanotube"). Het is een van de sterkste en meest hittebestendige materialen die we kennen, terwijl het bijna niets weegt.
De buisjes lijken sterk op de bekendere koolstof-nanobuisjes, maar hebben andere eigenschappen die ze juist geschikt maken waar koolstof tekortschiet: ze geleiden geen elektriciteit, houden extreme hitte beter uit en kunnen zelfs straling tegenhouden. Onderzoekers gebruiken ze om plastics en composietmaterialen sterker te maken, warmte af te voeren uit elektronica, en om astronauten te beschermen tegen kosmische straling. Het is nog vooral laboratoriumtechniek, maar de belofte is groot.
Wat is het precies?
Boor en stikstof kunnen samen een dun vlak vormen dat lijkt op een honingraat: de atomen zitten in een zeshoekig patroon aan elkaar vast, net als de cellen van een bijenkorf. Dit materiaal heet hexagonaal boornitride. Rol je zo'n honingraatvel op tot een koker, dan ontstaat een nanobuis: een holle cilinder met een diameter van meestal maar één tot enkele tientallen nanometer (een nanometer is een miljardste meter), maar die wel micrometers tot centimeters lang kan zijn.
Het belangrijkste verschil met koolstof-nanobuisjes zit in het gedrag van elektronen. Bij koolstof-nanobuisjes hangt het van de precieze "draairichting" van het honingraatpatroon (de zogeheten chiraliteit) af of de buis elektriciteit geleidt zoals een metaal, of zich juist gedraagt als halfgeleider, zoals in computerchips. Dat maakt koolstof-nanobuisjes lastig te fabriceren voor toepassingen waarbij je precies wilt weten welk gedrag je krijgt. Boornitride-nanobuisjes zijn daarentegen altijd elektrisch isolerend, ongeacht hoe je het honingraatvel oprolt. Dat voorspelbare gedrag is voor veel toepassingen juist een voordeel.
Daarnaast zijn BNNT's opvallend hittebestendig. Waar koolstof-nanobuisjes in lucht al bij een paar honderd graden Celsius beginnen te verbranden (oxideren), houden boornitride-nanobuisjes veel hogere temperaturen uit voordat ze aangetast raken. Ze zijn ook piëzo-elektrisch: als je ze mechanisch vervormt, ontstaat er een klein elektrisch spanningsverschil, een eigenschap die nuttig is voor minuscule sensoren. Tot slot bevat boor van nature een isotoop, boor-10, die erg goed is in het absorberen van neutronen, de deeltjes die vrijkomen bij bepaalde vormen van straling. Dat maakt het materiaal interessant voor stralingsafscherming.
Wat wil men ermee bereiken?
De basisgedachte is dat je door materialen te ontwerpen op het niveau van individuele atomen, eigenschappen kunt combineren die je normaal niet bij elkaar vindt: extreme sterkte, laag gewicht, hittebestendigheid en elektrische isolatie in één en hetzelfde bouwsteentje. Voeg je een klein beetje BNNT toe aan een kunststof, keramiek of metaal, dan kan dat composietmateriaal aanzienlijk sterker en stijver worden zonder dat het merkbaar zwaarder wordt.
In de elektronica is er behoefte aan materialen die warmte snel wegvoeren maar zelf geen stroom geleiden, zodat ze niet kortsluiten met de chips die ze moeten koelen. Omdat BNNT's warmte goed doorgeven maar elektrisch isoleren, passen ze precies in dat gat. In de ruimtevaart is de belofte vooral gericht op stralingsafscherming: astronauten en elektronica in de ruimte worden blootgesteld aan kosmische straling en zonnewind, en lichte materialen die desondanks goed afschermen, zijn schaars. Verder wordt onderzocht of BNNT's, die relatief goed door lichaamsweefsel worden verdragen, kunnen dienen als steigermateriaal voor botweefsel of als drager om medicijnen gericht af te leveren in het lichaam.
Voorbeelden uit de praktijk
De eerste experimentele synthese van boornitride-nanobuisjes werd in 1995 beschreven door onderzoekers Nasreen Chopra en Alex Zettl aan de University of California, Berkeley, kort nadat de theoretische voorspelling van zulke buisjes was gepubliceerd. Dat maakte BNNT een van de eerste "ontworpen" nanomaterialen na de ontdekking van koolstof-nanobuisjes begin jaren negentig.
NASA heeft via het Langley Research Center jarenlang onderzoek gedaan naar een schaalbare productiemethode, waarbij met een krachtige laser boor wordt verdampt in een stikstofrijke omgeving om nanobuisjes te laten groeien. Deze kennis is de basis geweest voor het Amerikaanse bedrijf BNNT LLC, gevestigd in Virginia, dat BNNT-materiaal produceert voor onderzoeks- en industriële klanten.
Aan de Deakin University in Australië werkt al ruim een decennium een onderzoeksgroep, onder meer verbonden aan het Institute for Frontier Materials, aan zowel de synthese van BNNT's als het verwerken ervan in composietmaterialen voor bijvoorbeeld lucht- en ruimtevaarttoepassingen. In Canada heeft het bedrijf Tekna geëxperimenteerd met plasmatechnologie om BNNT-poeders op grotere schaal te produceren dan met laserprocessen mogelijk is.
Op onderzoeksniveau zijn er ook publicaties over BNNT-versterkte polymeren voor lichtgewicht constructieonderdelen, en over BNNT als coating- of vulmateriaal in keramische composieten die bestand moeten zijn tegen extreme hitte, zoals in motoronderdelen.
Hoe ver is de techniek?
Boornitride-nanobuisjes zijn wetenschappelijk al dertig jaar bekend, maar de opschaling naar betaalbare, grootschalige productie verloopt traag. Anders dan koolstof-nanobuisjes, die inmiddels in tonnenschaal worden geproduceerd en in producten als fietsframes en batterijen zitten, wordt BNNT nog vooral in kleine hoeveelheden gemaakt, voor onderzoeksdoeleinden en proefprojecten.
De belangrijkste technische obstakels zijn het zuiver en lang genoeg groeien van de buisjes, het scheiden van nanobuisjes van ongewenste bijproducten, en het goed mengen (dispergeren) van de buisjes in een matrixmateriaal zonder dat ze aan elkaar klonteren. Omdat productiemethoden zoals laserverdamping en plasmasynthese relatief energie-intensief en kostbaar zijn, is BNNT nog altijd fors duurder dan koolstof-nanobuisjes. Concrete, actuele prijzen en productievolumes verschillen sterk per leverancier en zijn niet altijd openbaar, dus harde cijfers zijn lastig te geven; wel is duidelijk dat het nog een nichemarkt is zonder grootschalige industriële toepassing.
Voor toepassingen in de ruimtevaart en composieten worden geregeld veelbelovende laboratoriumresultaten gepubliceerd, maar de stap naar gecertificeerde producten, bijvoorbeeld voor gebruik in een ruimtevaartuig, kost doorgaans jaren vanwege strenge veiligheids- en kwaliteitseisen. Voor biomedische toepassingen geldt bovendien dat de langetermijneffecten van nanomaterialen in het lichaam nog uitgebreid moeten worden onderzocht voordat van klinisch gebruik sprake kan zijn.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten heeft NASA een lange onderzoeksgeschiedenis met BNNT, mede gericht op stralingsafscherming voor ruimtevaart, met spin-offactiviteiten richting de private sector. In Australië is Deakin University een van de bekendere academische centra voor BNNT-onderzoek, met aandacht voor zowel synthese als toepassing in composieten. Canada telt met Tekna een speler die zich richt op plasmagebaseerde productieprocessen.
Daarnaast doen universiteiten en onderzoeksinstituten in onder meer China, Japan en Europa onderzoek naar BNNT-synthese en -toepassingen, vaak in samenwerking met de lucht- en ruimtevaartindustrie of makers van geavanceerde composietmaterialen. Het veld is relatief klein vergeleken met bijvoorbeeld grafeen- of koolstof-nanobuisonderzoek, met een beperkt aantal gespecialiseerde laboratoria en bedrijven wereldwijd.