氮化硼BN:未來二維材料的新選擇

傳統上，由於氮化硼（BN）化合物具有極佳的高溫性能和化學穩定性，因此被生產用作高溫陶瓷。然而，其自身的化學結構允許生產出類似於碳納米管的氮化硼納米管。於1994年被推測存在，並於次年生產出來，BN納米管擁有非常獨特的性能。和碳納米管不同，BN納米管是電絕緣體，而且還具有比碳納米管更好的熱穩定性和化學穩定性。熱穩定性的提高，再加上較強的中子輻射抵抗能力，意味著BN納米管可被用到類似於外太空這樣的極端環境中去。 

時間撥回到2015年，來自紐約州立大學Binghamton分校機械工程系的一組科學家證明，氮化硼納米管的單位重量強度可能比它們的碳納米管更強。他們的研究成果發表在《Applied Physics Letters》上。BN納米管本身的強度與碳納米管類似。但是當它們與聚合物接觸時，氮化硼納米管與聚合物粘附的強度超過了碳納米管與聚合物粘附的強度。

助理教授Changhong Ke說到：「這些納米複合材料中，最薄弱的部位就是聚合物和納米管之間的結合界面。」

通過研究這些複合材料的撕裂行為，並觀察材料結構如何對扭轉進行響應，科學家們發現粘附能力取決於使用的聚合物。這種超高強度的理論解釋是因為氮化硼是兩種元素的化合物，而氮原子較硼原子擁有更多的質子，因此兩者間的電荷分布不均勻，並使電子云分布向氮的原子核移動。這使得BN納米管與聚合物之間的電荷相互作用更強。

BN納米管的另一個優點是它們具備壓電性能：即在壓力下可以產生電勢。在2017年，還發現了另一種可能非常重要的氮化硼應用。萊斯大學（Rice University）的科學家們製造出一種由可吸收二氧化碳的二維六角氮化硼片組成的氮化硼泡沫。鑑於滿足《巴黎協定》的許多測算要求二氧化碳排放量為負，科學家一直在努力思考如何從大氣中吸收二氧化碳。經典的解決方案是使用生物燃料，並捕獲燃燒時釋放的二氧化碳。但根據一些測算，所需的生物燃料會佔用地球上太多的土地。

BN泡沫有望成為吸收CO2的候選材料；在分子動力學模擬中，它可以吸收相當於其自身重量340％的CO2。自身是多孔且形狀可調，這意味著它適用於過濾不同種類的氣體。泡沫是通過冷凍乾燥二維氮化硼層，然後加入聚乙烯醇（PVA）來形成的。

文章的合作者，萊斯大學的博士後Chandra Sekhar Tiwary說到：「即使是非常少量的PVA也能起作用。它通過粘合六方BN之間的片狀結構來使泡沫變硬，同時不改變六方BN比表面積。」

研究人員的想法是六方BN泡沫一旦使用之後，可以將CO2從氮化硼泡沫中蒸發出來，使得材料可以被再次利用以吸收更多的二氧化碳。不同的塗層會賦予泡沫不同的性能，當塗覆上聚合物PDMS時，氮化硼泡沫可有效地屏蔽雷射，使得它可被應用於生物醫藥和工業領域。萊斯大學的研究團隊未來的最終目標是加強對泡沫孔徑的控制，從而使其成為有效地分離油和水等物質的過濾器。

迄今為止，BN納米管的最大缺點是成本太高，價格接近$1000 /g，相較之下，碳納米管的價格只有$10-20/g。然而，BN納米管屬於較新的材料，隨著應用領域的拓展，價格可能會出現下跌，並且BN納米管已經開始大規模生產。碳納米管的價格也經歷過類似的下跌。由於BN納米管更好的熱穩定性和對聚合物的粘附力，它們很可能在特定領域（例如航空航天領域）成為受歡迎的納米管材料。BN納米管泡沫在吸收二氧化碳方面的潛力也將會得到進一步的研究。