氮化硼纳米管以其出色的物理和化学特性而闻名，在热管理和太空探索等极端环境下具有巨大的潜力。氮化硼纳米管的向列液晶可以加工成定向膜和纤维，展示了它们在高性能应用中的能力。此外，通过拉伸法将部分水平取向的氮化硼纳米管纳入复合材料中可以表现出明显的优势。水平取向的氮化硼纳米管的潜力尚未充分发挥，主要是因为后处理获得的水平取向的氮化硼纳米管仅部分实现取向且缺陷增加。直接合成取向度高，品质高的水平取向氮化硼纳米管是解决这一挑战的完美方案。然而，很少有关于水平取向的氮化硼纳米管的报道，并且水平取向的氮化硼纳米管大多通过碳纳米管模板法制备。存在模板去除不净，杂原子残留的问题。无模板直接生长的水平取向的氮化硼纳米管往往表现出优异的品质，其简单性和高效性使其成为进一步利用氮化硼纳米管各向异性性质的一个有前景的途径。化学气相沉积法由于其生长温度低和强大的可控性成为一种有前景的制备方法。尽管付出了大量努力，但关于无模板直接生长高品质的水平取向的氮化硼纳米管的报道仍然有限。
基于此，南京大学姚亚刚教授团队参考气流定向生长法制备碳纳米管水平阵列的方法，提出了一种“类表面生长”策略来获得高品质的水平取向氮化硼纳米管阵列。在实验中，采用W2B5/Zn作为前驱体，气流和前驱体协同限制氮化硼纳米管在前驱体附近的浮动。然后，通过设计曳力和热泳力使氮化硼纳米管在衬底上排列和收集。此外，通过调整衬底来改变定向力，可以控制水平取向的氮化硼纳米管的取向度。实验和计算流体力学模拟表明，曳力和热泳力的协同作用促进了有序排列的水平取向的氮化硼纳米管的合成。此外，该策略在其他催化剂体系中也被证明是可行的，如MoB2/Zn，进一步证明了其适用性和可扩展性。该研究不仅引入了一种制备水平取向的氮化硼纳米管的新方法，还具有显著推动氮化硼纳米管制备和应用研究发展的潜力。
图1. 水平取向氮化硼纳米管阵列的生长示意图。(a)垂直衬底放置前后坩埚底部受力分析。(b)通过粉体生长制备的团聚的BNNTs被限制在前驱体附近。(c)在垂直衬底表面获得水平取向氮化硼纳米管阵列。
图2. W2B5/Zn生长的产物表征。(a-d)对应衬底产物的SEM图像。(a1-a3)从衬底a不同区域收集的产物的SEM图像。(e)产物的偏振光学显微镜图像。(f)产物的偏振拉曼光谱。(g)产物的代表性TEM图像。插图是管壁的HRTEM图像。
相关成果以题为““Surface-like growth” strategy for the direct synthesis of horizontally aligned boron nitride nanotubes”发表在顶级期刊Nano Letters上。南京大学现代工程与应用科学学院博士研究生汪南阳为本文第一作者。该工作得到了教育部“长江学者奖励计划”等的支持，同时也得到了固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心以及江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室的大力支持与帮助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c01640
