Στη χημεία, η δομή είναι το παν. Οι ενώσεις με τον ίδιο χημικό τύπο μπορούν να έχουν διαφορετικές ιδιότητες ανάλογα με τη διάταξη των μορίων που τις συνθέτουν. Και ενώσεις με διαφορετικό χημικό τύπο αλλά παρόμοια μοριακή διάταξη μπορεί να έχουν παρόμοιες ιδιότητες.
Το γραφένιο και μια μορφή νιτριδίου βορίου που ονομάζεται εξαγωνικό νιτρίδιο βορίου εμπίπτουν στην τελευταία ομάδα. Το γραφένιο αποτελείται από άτομα άνθρακα. Το νιτρίδιο του βορίου, BN, αποτελείται από άτομα βορίου και αζώτου. Αν και οι χημικοί τους τύποι είναι διαφορετικοί, έχουν παρόμοια δομή – τόσο παρόμοια που πολλοί χημικοί αποκαλούν το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου «λευκό γραφένιο».
Το γραφένιο με βάση τον άνθρακα έχει πολλές χρήσιμες ιδιότητες. Είναι λεπτό αλλά ισχυρό και μεταφέρει πολύ καλά τη θερμότητα και τον ηλεκτρισμό, καθιστώντας το ιδανικό για χρήση στα ηλεκτρονικά.
Ομοίως, το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου έχει μια ποικιλία ιδιοτήτων παρόμοιες με το γραφένιο που θα μπορούσαν να βελτιώσουν τη βιοϊατρική απεικόνιση και την παροχή φαρμάκων, καθώς και υπολογιστές, smartphone και LED. Οι ερευνητές μελετούν αυτόν τον τύπο νιτριδίου του βορίου εδώ και πολλά χρόνια.
Αλλά το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου δεν είναι η μόνη χρήσιμη μορφή στην οποία υπάρχει αυτή η ένωση.
Ως μηχανικοί υλικών, η ερευνητική μας ομάδα μελέτησε έναν άλλο τύπο νιτριδίου του βορίου, το κυβικό νιτρίδιο του βορίου. Θα θέλαμε να μάθουμε εάν ο συνδυασμός των ιδιοτήτων του εξαγωνικού νιτριδίου του βορίου με το κυβικό νιτρίδιο του βορίου θα μπορούσε να ανοίξει την πόρτα σε ακόμη πιο χρήσιμες εφαρμογές.
Εξαγωνικό έναντι κυβικού
Το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου, όπως μπορείτε να φανταστείτε, είναι μόρια νιτριδίου βορίου διατεταγμένα σε σχήμα επίπεδου εξαγώνου. Μοιάζει σε σχήμα κηρήθρας, σαν γραφένιο. Το κυβικό νιτρίδιο του βορίου έχει τρισδιάστατη δομή πλέγματος και μοιάζει με διαμάντι σε μοριακό επίπεδο.
Το H-BN είναι λεπτό, απαλό και χρησιμοποιείται στα καλλυντικά για να τους δώσει μεταξένια υφή. Δεν λιώνει ούτε αποσυντίθεται ακόμη και σε υπερβολική ζέστη, γεγονός που το καθιστά επίσης χρήσιμο σε ηλεκτρονικά και άλλες εφαρμογές. Μερικοί επιστήμονες προβλέπουν ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή μιας ασπίδας ακτινοβολίας για διαστημόπλοια.
Το C-BN είναι σκληρό και ανθεκτικό. Χρησιμοποιείται στην κατασκευή για την κατασκευή κοπτικών εργαλείων και τρυπανιών και διατηρεί την ευκρίνειά του ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες. Μπορεί επίσης να βοηθήσει στη διάχυση της θερμότητας στα ηλεκτρονικά.
Αν και το h-BN και το c-BN μπορεί να φαίνονται διαφορετικά, η έρευνά μας δείχνει ότι μαζί έχουν ακόμη περισσότερες δυνατότητες από ό,τι καθένα ξεχωριστά.
Και οι δύο τύποι νιτριδίου του βορίου μεταδίδουν τη θερμότητα και μπορούν να παρέχουν ηλεκτρική μόνωση, αλλά το ένα, το h-BN, είναι μαλακό και το άλλο, το c-BN, είναι σκληρό. Θέλαμε λοιπόν να δούμε αν θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν μαζί για τη δημιουργία υλικών με ενδιαφέρουσες ιδιότητες.
Για παράδειγμα, ο συνδυασμός των διαφορετικών συμπεριφορών τους θα μπορούσε να κάνει ένα υλικό επίστρωσης αποτελεσματικό για δομικές εφαρμογές σε υψηλή θερμοκρασία. Το C-BN θα μπορούσε να παρέχει ισχυρή πρόσφυση σε μια επιφάνεια, ενώ οι λιπαντικές ιδιότητες του h-BN θα μπορούσαν να αντισταθούν στη φθορά. Και τα δύο μαζί θα αποτρέψουν την υπερθέρμανση του υλικού.
Παραγωγή νιτριδίου βορίου
Αυτή η κατηγορία υλικών δεν υπάρχει στη φύση, επομένως οι επιστήμονες πρέπει να τα δημιουργήσουν στο εργαστήριο. Γενικά, ήταν δύσκολο να συντεθεί υψηλής ποιότητας c-BN, ενώ το h-BN είναι σχετικά πιο εύκολο να παραχθούν φιλμ υψηλής ποιότητας χρησιμοποιώντας τις λεγόμενες τεχνικές εναπόθεσης φάσης ατμού.
Κατά την εναπόθεση ατμών, θερμαίνουμε υλικά που περιέχουν βόριο και άζωτο μέχρι να εξατμιστούν. Τα εξατμισμένα μόρια στη συνέχεια εναποτίθενται σε μια επιφάνεια, ψύχονται, συνδυάζονται και σχηματίζουν ένα λεπτό φιλμ BN.
Η ερευνητική μας ομάδα εργάστηκε για το συνδυασμό h-BN και c-BN χρησιμοποιώντας διαδικασίες παρόμοιες με την εναπόθεση ατμού, αλλά μπορούμε επίσης να αναμίξουμε σκόνες από τα δύο μαζί. Η ιδέα είναι να κατασκευάσουμε ένα υλικό με το σωστό μείγμα h-BN και c-BN για θερμικές, μηχανικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες που μπορούμε να βελτιστοποιήσουμε.
Η ομάδα μας ανακάλυψε ότι η σύνθετη ουσία που δημιουργείται με το συνδυασμό και των δύο μορφών BN έχει ένα ευρύ φάσμα πιθανών εφαρμογών. Όταν εκπέμπετε μια ακτίνα λέιζερ στην ουσία, αυτή αναβοσβήνει έντονα. Οι ερευνητές θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν αυτή την ιδιότητα για να δημιουργήσουν οθόνες και να βελτιώσουν τις ακτινοθεραπείες στον ιατρικό τομέα.
Βρήκαμε επίσης ότι μπορούμε να προσαρμόσουμε τη θερμική αγωγιμότητα του σύνθετου υλικού. Αυτό σημαίνει ότι οι μηχανικοί θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν αυτό το σύνθετο BN σε μηχανές που διαχειρίζονται τη θερμότητα. Το επόμενο βήμα είναι να προσπαθήσετε να δημιουργήσετε μεγάλα πάνελ από ένα σύνθετο υλικό h-BN και c-BN. Με ακριβή εκτέλεση, μπορούμε να προσαρμόσουμε τις μηχανικές, θερμικές και οπτικές ιδιότητες σε συγκεκριμένες εφαρμογές.
Στα ηλεκτρονικά, το h-BN θα μπορούσε να λειτουργήσει ως διηλεκτρικό – ή μονωτής – παράλληλα με το γραφένιο σε ορισμένες ηλεκτρονικές συσκευές χαμηλής κατανάλωσης. Ως διηλεκτρικό, το h-BN θα βοηθούσε τα ηλεκτρονικά να λειτουργούν αποτελεσματικά και να διατηρούν το φορτίο τους.
Το C-BN, μαζί με το διαμάντι, θα μπορούσε να δημιουργήσει υλικά εξαιρετικά ευρείας ζώνης που επιτρέπουν στις ηλεκτρονικές συσκευές να λειτουργούν με πολύ υψηλότερη ισχύ. Τόσο το διαμάντι όσο και το c-BN μεταδίδουν καλά τη θερμότητα και μαζί θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην ψύξη αυτών των συσκευών υψηλής ισχύος που παράγουν πολύ επιπλέον θερμότητα.
Το H-BN και το c-BN χωριστά θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ηλεκτρονικά που έχουν εξαιρετικά καλή απόδοση σε διαφορετικά περιβάλλοντα – μαζί προσφέρουν επίσης μια ποικιλία πιθανών εφαρμογών.
Το σύνθετο BN μας θα μπορούσε να βελτιώσει τους διανομείς θερμότητας και τους μονωτές και να χρησιμοποιηθεί σε μηχανήματα αποθήκευσης ενέργειας όπως υπερπυκνωτές, συσκευές αποθήκευσης ενέργειας ταχείας φόρτισης και επαναφορτιζόμενες μπαταρίες.
Θα συνεχίσουμε να μελετάμε τις ιδιότητες του BN και πώς μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε σε λιπαντικά, επιστρώσεις και ανθεκτικές στη φθορά επιφάνειες. Η ανάπτυξη τρόπων για την αύξηση της παραγωγής θα είναι κρίσιμη για την εξερεύνηση των εφαρμογών τους, από την επιστήμη των υλικών μέχρι την ηλεκτρονική και την περιβαλλοντική επιστήμη.
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε από το The Conversation, έναν μη κερδοσκοπικό, ανεξάρτητο ειδησεογραφικό οργανισμό που σας φέρνει γεγονότα και αναλύσεις για να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τον περίπλοκο κόσμο μας.
Γράφτηκε από τον: Pulickel Ajayan, Πανεπιστήμιο Ράις και ο Abhijit Biswas, Πανεπιστήμιο Ράις.
Διαβάστε περισσότερα:
Ο Pulickel Ajayan λαμβάνει χρηματοδότηση από το Ερευνητικό Εργαστήριο Στρατού και το Γραφείο Ερευνών του Στρατού.
Ο Abhijit Biswas δεν εργάζεται, δεν συμβουλεύει, δεν κατέχει μετοχές ή δεν λαμβάνει χρηματοδότηση από οποιαδήποτε εταιρεία ή οργανισμό που θα επωφεληθεί από αυτό το άρθρο και δεν έχει αποκαλύψει σχετικές σχέσεις πέρα από την ακαδημαϊκή τους απασχόληση.