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Nitruro de boro

El nitruro de boro es un compuesto refractario de boro y nitrógeno resistente a las sustancias químicas y térmicamente, con la fórmula química BN . Existe en varias formas cristalinas que son isoelectrónicas a una red de carbono de estructura similar . La forma hexagonal correspondiente al grafito es la más estable y blanda entre los polimorfos de BN, y por lo tanto se utiliza como lubricante y aditivo para productos cosméticos. La variedad cúbica ( zincblenda también conocida como estructura de esfalrita ) análoga al diamante se llama c-BN; es más blanda que el diamante, pero su estabilidad térmica y química es superior. La rara modificación wurtzita BN es similar a la lonsdaleíta pero ligeramente más blanda que la forma cúbica. [3]

Debido a su excelente estabilidad térmica y química, las cerámicas de nitruro de boro se utilizan en equipos de alta temperatura y fundición de metales . El nitruro de boro tiene un uso potencial en nanotecnología.

Estructura

El nitruro de boro existe en múltiples formas que difieren en la disposición de los átomos de boro y nitrógeno, lo que da lugar a diferentes propiedades en masa del material.

Forma amorfa (a-BN)

La forma amorfa del nitruro de boro (a-BN) no es cristalina y carece de regularidad a larga distancia en la disposición de sus átomos. Es análoga al carbono amorfo .

Todas las demás formas de nitruro de boro son cristalinas.

Forma hexagonal (h-BN)

La forma cristalina más estable es la hexagonal, también llamada h-BN, α-BN, g-BN y nitruro de boro grafítico . El nitruro de boro hexagonal (grupo puntual = D 3h ; grupo espacial = P6 3 /mmc) tiene una estructura en capas similar al grafito. Dentro de cada capa, los átomos de boro y nitrógeno están unidos por fuertes enlaces covalentes , mientras que las capas se mantienen unidas por débiles fuerzas de van der Waals . Sin embargo, el "registro" entre capas de estas láminas difiere del patrón observado para el grafito, porque los átomos están eclipsados, con átomos de boro que se encuentran sobre y por encima de los átomos de nitrógeno. Este registro refleja la polaridad local de los enlaces B–N, así como las características de donador de N/aceptor de B entre capas. Asimismo, existen muchas formas metaestables que consisten en politipos apilados de forma diferente. Por lo tanto, el h-BN y el grafito son vecinos muy cercanos, y el material puede acomodar el carbono como elemento sustituyente para formar BNC. Se han sintetizado híbridos BC 6 N, donde el carbono sustituye a algunos átomos de B y N. [4] La monocapa hexagonal de nitruro de boro es análoga al grafeno , ya que tiene una estructura reticular en forma de panal de casi las mismas dimensiones. A diferencia del grafeno, que es negro y un conductor eléctrico, la monocapa de h-BN es blanca y un aislante. Se ha propuesto su uso como sustrato aislante plano atómico o como barrera dieléctrica de efecto túnel en electrónica 2D. . [5]

Forma cúbica (c-BN)

El nitruro de boro cúbico tiene una estructura cristalina análoga a la del diamante . En consonancia con el hecho de que el diamante es menos estable que el grafito, la forma cúbica es menos estable que la forma hexagonal, pero la tasa de conversión entre las dos es insignificante a temperatura ambiente, como lo es para el diamante. La forma cúbica tiene la estructura cristalina de esfalrita (grupo espacial = F 4 3m), la misma que la del diamante (con átomos de B y N ordenados), y también se denomina β-BN o c-BN.

Forma wurtzita (w-BN)

La forma wurtzita del nitruro de boro (w-BN; grupo puntual = C 6v ; grupo espacial = P6 3 mc) tiene la misma estructura que la lonsdaleíta , un raro polimorfo hexagonal del carbono. Al igual que en la forma cúbica, los átomos de boro y nitrógeno se agrupan en tetraedros . [6] En la forma wurtzita, los átomos de boro y nitrógeno se agrupan en anillos de 6 miembros. En la forma cúbica todos los anillos están en configuración de silla , mientras que en w-BN los anillos entre "capas" están en configuración de barco . Los informes optimistas anteriores predijeron que la forma wurtzita era muy fuerte, y se estimó mediante una simulación que potencialmente tenía una resistencia un 18% más fuerte que la del diamante. Dado que solo existen pequeñas cantidades del mineral en la naturaleza, esto aún no se ha verificado experimentalmente. [7] Su dureza es de 46 GPa, ligeramente más dura que los boruros comerciales pero más blanda que la forma cúbica del nitruro de boro. [3]

Propiedades

Físico

La estructura parcialmente iónica de las capas de BN en el h-BN reduce la covalencia y la conductividad eléctrica, mientras que la interacción entre capas aumenta, lo que da como resultado una mayor dureza del h-BN en relación con el grafito. La deslocalización electrónica reducida en el BN hexagonal también se indica por su ausencia de color y una gran brecha de banda . Los enlaces muy diferentes (covalentes fuertes dentro de los planos basales (planos donde los átomos de boro y nitrógeno están unidos covalentemente) y débiles entre ellos) causan una alta anisotropía de la mayoría de las propiedades del h-BN.

Por ejemplo, la dureza y la conductividad eléctrica y térmica son mucho mayores dentro de los planos que en la perpendicular a ellos. Por el contrario, las propiedades del c-BN y del w-BN son más homogéneas e isotrópicas.

Estos materiales son extremadamente duros, siendo la dureza del c-BN a granel ligeramente menor y la del w-BN incluso mayor que la del diamante. [17] También se informa que el c-BN policristalino con tamaños de grano del orden de 10 nm tiene una dureza Vickers comparable o mayor que el diamante. [18] Debido a una estabilidad mucho mejor al calor y a los metales de transición, el c-BN supera al diamante en aplicaciones mecánicas, como el mecanizado de acero. [19] La conductividad térmica del BN está entre las más altas de todos los aislantes eléctricos (ver tabla).

El nitruro de boro se puede dopar con berilio en el tipo p y con boro, azufre, silicio en el tipo n, o con carbono y nitrógeno si se dopa conjuntamente. [13] Tanto el BN hexagonal como el cúbico son semiconductores de banda ancha con una energía de banda prohibida correspondiente a la región UV. Si se aplica voltaje al h-BN [20] [21] o al c-BN, [22] entonces emite luz UV en el rango de 215 a 250 nm y, por lo tanto, potencialmente se puede utilizar como diodos emisores de luz (LED) o láseres.

Se sabe poco sobre el comportamiento de fusión del nitruro de boro. Se degrada a 2973 °C, pero se funde a presión elevada. [23] [24]

Estabilidad térmica

El BN hexagonal y cúbico (y probablemente el w-BN) muestran estabilidades químicas y térmicas notables. Por ejemplo, el h-BN es estable a la descomposición a temperaturas de hasta 1000 °C en el aire, 1400 °C en el vacío y 2800 °C en una atmósfera inerte. La reactividad del h-BN y el c-BN es relativamente similar, y los datos para el c-BN se resumen en la siguiente tabla.

La estabilidad térmica del c-BN se puede resumir de la siguiente manera: [13]

Estabilidad química

El nitruro de boro no es atacado por los ácidos habituales, pero es soluble en sales fundidas alcalinas y nitruros, como LiOH , KOH , NaOH - Na 2 CO 3 , NaNO 3 , Li 3 N , Mg 3 N 2 , Sr 3 N 2 , Ba3N2 o Li3BN2, que por lo tanto se utilizan para grabar BN. [13]

Conductividad térmica

La conductividad térmica teórica de las nanocintas de nitruro de boro hexagonales (BNNR) puede acercarse a 1700–2000  W / ( m ⋅ K ), que tiene el mismo orden de magnitud que el valor medido experimentalmente para el grafeno , y puede ser comparable a los cálculos teóricos para las nanocintas de grafeno. [25] [26] Además, el transporte térmico en las BNNR es anisotrópico . La conductividad térmica de las BNNR con bordes en zigzag es aproximadamente un 20% mayor que la de las nanocintas con bordes en forma de sillón a temperatura ambiente. [27]

Propiedades mecánicas

Las nanocapas de BN están compuestas de nitruro de boro hexagonal (h-BN). Son estables hasta 800 °C en el aire. La estructura de la monocapa de BN es similar a la del grafeno , que tiene una resistencia excepcional. [28] , un lubricante de alta temperatura y un sustrato en dispositivos electrónicos. [29]

La anisotropía del módulo de Young y del coeficiente de Poisson depende del tamaño del sistema. [30] El h-BN también exhibe una resistencia y tenacidad fuertemente anisotrópicas , [31] y las mantiene en un rango de defectos de vacancia , lo que demuestra que la anisotropía es independiente del tipo de defecto.

Ocurrencia natural

En 2009, se informó de la forma cúbica (c-BN) en el Tíbet y se propuso el nombre qingsongita . La sustancia se encontró en inclusiones dispersas de tamaño micrométrico en rocas ricas en cromo. En 2013, la Asociación Mineralógica Internacional confirmó el mineral y el nombre. [32] [33] [34] [35]

Síntesis

Preparación y reactividad del BN hexagonal

El nitruro de boro hexagonal se obtiene mediante el tratamiento de trióxido de boro ( B2O3 ) o ácido bórico ( H3BO3 ) con amoniaco ( NH3 ) o urea ( CO ( NH2 ) 2 ) en una atmósfera inerte: [36]

B2O3 + 2NH3 → 2BN + 3H2O ( T = 900 ° C )
B(OH) 3 +NH3 → BN +3H2O ( T = 900 °C)
B 2 O 3 + CO(NH 2 ) 2 → 2 BN + CO 2 + 2 H 2 O ( T > 1000 °C)
B2O3 + 3CaB6 + 10N2 → 20BN + 3CaO ( T > 1500 °C)

El material desordenado ( amorfo ) resultante contiene entre un 92 y un 95 % de BN y entre un 5 y un 8 % de B 2 O 3 . El B 2 O 3 restante se puede evaporar en un segundo paso a temperaturas > 1500 °C para lograr una concentración de BN > 98 %. Este recocido también cristaliza el BN, y el tamaño de los cristalitos aumenta con la temperatura de recocido. [19] [37]

Las piezas de h-BN se pueden fabricar de forma económica mediante prensado en caliente con mecanizado posterior. Las piezas están hechas de polvos de nitruro de boro a los que se les añade óxido de boro para mejorar su compresibilidad. Se pueden obtener películas delgadas de nitruro de boro mediante deposición química en fase de vapor a partir de tricloruro de boro y precursores de nitrógeno. [38] ZYP Coatings también ha desarrollado recubrimientos de nitruro de boro que se pueden pintar sobre una superficie. La combustión de polvo de boro en plasma de nitrógeno a 5500 °C produce nitruro de boro ultrafino que se utiliza para lubricantes y tóneres . [39]

El nitruro de boro reacciona con el fluoruro de yodo para dar NI 3 con bajo rendimiento. [40] El nitruro de boro reacciona con nitruros de litio, metales alcalinotérreos y lantánidos para formar nitridoboratos . [41] Por ejemplo:

Li3N + BN → Li3BN2​

Intercalación de BN hexagonal

Estructura del nitruro de boro hexagonal intercalado con potasio ( B 4 N 4 K )

Varias especies se intercalan en el BN hexagonal, como el intercalado de NH3 [ 42] o los metales alcalinos. [43]

Preparación de BN cúbico

El c-BN se prepara de forma análoga a la preparación del diamante sintético a partir del grafito. Se ha observado la conversión directa del nitruro de boro hexagonal a la forma cúbica a presiones entre 5 y 18 GPa y temperaturas entre 1730 y 3230 °C, es decir, parámetros similares a los de la conversión directa de grafito a diamante. [44] La adición de una pequeña cantidad de óxido de boro puede reducir la presión requerida a 4-7 GPa y la temperatura a 1500 °C. Al igual que en la síntesis de diamantes, para reducir aún más las presiones y temperaturas de conversión, se añade un catalizador, como litio, potasio o magnesio, sus nitruros, sus fluoronitruros, agua con compuestos de amonio o hidracina. [45] [46] Otros métodos de síntesis industriales, nuevamente tomados del crecimiento del diamante, utilizan el crecimiento de cristales en un gradiente de temperatura u onda de choque explosiva . El método de onda de choque se utiliza para producir un material llamado heterodiamante , un compuesto superduro de boro, carbono y nitrógeno. [47]

Es posible la deposición a baja presión de películas delgadas de nitruro de boro cúbico. Al igual que en el crecimiento de diamantes, el problema principal es suprimir el crecimiento de fases hexagonales (h-BN o grafito, respectivamente). Mientras que en el crecimiento de diamantes esto se logra añadiendo gas hidrógeno, se utiliza trifluoruro de boro para c-BN. También se utilizan la deposición por haz de iones , la deposición química en fase de vapor mejorada con plasma , la deposición por láser pulsado , la pulverización reactiva y otros métodos de deposición física en fase de vapor . [38]

Preparación de wurtzita BN

El BN de wurtzita se puede obtener mediante métodos estáticos de alta presión o de choque dinámico. [48] Los límites de su estabilidad no están bien definidos. Tanto el BN de c como el BN de w se forman mediante la compresión del BN de h, pero la formación del BN de w ocurre a temperaturas mucho más bajas, cercanas a los 1700 °C. [45]

Estadísticas de producción

Si bien las cifras de producción y consumo de las materias primas utilizadas para la síntesis de BN, a saber, ácido bórico y trióxido de boro, son bien conocidas (véase boro ), las cifras correspondientes al nitruro de boro no figuran en los informes estadísticos. Una estimación de la producción mundial de 1999 es de 300 a 350 toneladas métricas . Los principales productores y consumidores de BN se encuentran en los Estados Unidos, Japón, China y Alemania. En 2000, los precios variaron entre unos 75 y 120 dólares/kg para el h-BN de calidad industrial estándar y fueron de hasta 200-400 dólares/kg para los grados de BN de alta pureza. [36]

Aplicaciones

BN hexagonal

Crisol cerámico BN

El BN hexagonal (h-BN) es el polimorfo más utilizado. Es un buen lubricante tanto a bajas como a altas temperaturas (hasta 900 °C, incluso en una atmósfera oxidante). El lubricante h-BN es particularmente útil cuando la conductividad eléctrica o la reactividad química del grafito (lubricante alternativo) serían problemáticas. En los motores de combustión interna, donde el grafito podría oxidarse y convertirse en lodo de carbono, el h-BN, con su estabilidad térmica superior, se puede agregar a los lubricantes del motor. Al igual que con todas las suspensiones de nanopartículas, la sedimentación por movimiento browniano es un problema. La sedimentación puede obstruir los filtros de aceite del motor, lo que limita las aplicaciones de lubricante sólido en un motor de combustión a las carreras de automóviles, donde la reconstrucción del motor es común. Dado que el carbono tiene una solubilidad apreciable en ciertas aleaciones (como los aceros), lo que puede provocar la degradación de las propiedades, el BN suele ser superior para aplicaciones de alta temperatura o alta presión. Otra ventaja del h-BN sobre el grafito es que su lubricidad no requiere moléculas de agua o gas atrapadas entre las capas. Por lo tanto, los lubricantes de h-BN se pueden utilizar en vacío, como en aplicaciones espaciales. Las propiedades lubricantes del h-BN de grano fino se utilizan en cosméticos , pinturas , cementos dentales y minas de lápiz . [49]

El BN hexagonal se utilizó por primera vez en cosméticos alrededor de 1940 en Japón . Debido a su alto precio, el h-BN se abandonó para esta aplicación. Su uso se revitalizó a fines de la década de 1990 con la optimización de los procesos de producción de h-BN, y actualmente el h-BN lo utilizan casi todos los principales productores de productos cosméticos para bases , maquillaje , sombras de ojos , coloretes, lápices de kohl , lápices labiales y otros productos para el cuidado de la piel. [19]

Debido a su excelente estabilidad térmica y química, las cerámicas y recubrimientos de nitruro de boro se utilizan en equipos de alta temperatura. El h-BN se puede incluir en cerámicas, aleaciones, resinas, plásticos, cauchos y otros materiales, lo que les confiere propiedades autolubricantes. Dichos materiales son adecuados para la construcción de cojinetes , por ejemplo , y en la fabricación de acero. [19] Muchos dispositivos cuánticos utilizan h-BN multicapa como material de sustrato. También se puede utilizar como dieléctrico en memorias de acceso aleatorio resistivas. [50] [51]

El BN hexagonal se utiliza en procesos xerográficos e impresoras láser como capa de barrera contra fugas de carga del tambor fotográfico. [52] En la industria automotriz, el h-BN mezclado con un aglutinante (óxido de boro) se utiliza para sellar sensores de oxígeno , que proporcionan retroalimentación para ajustar el flujo de combustible. El aglutinante utiliza la estabilidad de temperatura única y las propiedades aislantes del h-BN. [19]

Las piezas se pueden fabricar mediante prensado en caliente a partir de cuatro grados comerciales de h-BN. El grado HBN contiene un aglutinante de óxido de boro ; se puede utilizar hasta 550–850 °C en atmósfera oxidante y hasta 1600 °C en vacío, pero debido al contenido de óxido de boro es sensible al agua. El grado HBR utiliza un aglutinante de borato de calcio y se puede utilizar a 1600 °C. Los grados HBC y HBT no contienen aglutinante y se pueden utilizar hasta 3000 °C. [53]

Las nanohojas de nitruro de boro (h-BN) se pueden depositar por descomposición catalítica de borazina a una temperatura de ~1100 °C en una configuración de deposición química de vapor , sobre áreas de hasta aproximadamente 10 cm 2 . Debido a su estructura atómica hexagonal, pequeño desajuste reticular con el grafeno (~2%) y alta uniformidad, se utilizan como sustratos para dispositivos basados ​​en grafeno. [54] Las nanohojas de BN también son excelentes conductores de protones . Su alta tasa de transporte de protones, combinada con la alta resistencia eléctrica, puede conducir a aplicaciones en celdas de combustible y electrólisis del agua . [55]

El h-BN se ha utilizado desde mediados de la década de 2000 como lubricante para balas y cañones en aplicaciones de rifles de precisión como alternativa al revestimiento de disulfuro de molibdeno , comúnmente conocido como "moly". Se afirma que aumenta la vida útil efectiva del cañón, aumenta los intervalos entre limpiezas del cañón y disminuye la desviación en el punto de impacto entre los primeros disparos con el cañón limpio y los disparos posteriores. [56]

El h-BN se utiliza como agente desmoldante en aplicaciones de metal fundido y vidrio. Por ejemplo, ZYP Coatings desarrolló y actualmente produce una línea de recubrimientos de h-BN que se pueden pintar y que utilizan los fabricantes de aluminio fundido, metales no ferrosos y vidrio. [57] Debido a que el h-BN no humecta y es lubricante para estos materiales fundidos, la superficie recubierta (es decir, el molde o el crisol) no se adhiere al material. [58] [59] [60] [61]

BN cúbico

El nitruro de boro cúbico (CBN o c-BN) se usa ampliamente como abrasivo . [62] Su utilidad surge de su insolubilidad en hierro , níquel y aleaciones relacionadas a altas temperaturas, mientras que el diamante es soluble en estos metales. Por lo tanto, los abrasivos policristalinos c-BN ( PCBN ) se utilizan para mecanizar acero, mientras que los abrasivos de diamante se prefieren para aleaciones de aluminio, cerámica y piedra. Cuando está en contacto con oxígeno a altas temperaturas, el BN forma una capa de pasivación de óxido de boro. El nitruro de boro se une bien con los metales debido a la formación de capas intermedias de boruros o nitruros metálicos. Los materiales con cristales de nitruro de boro cúbico se utilizan a menudo en las brocas de las herramientas de corte . Para aplicaciones de rectificado, se utilizan aglutinantes más suaves como resina, cerámica porosa y metales blandos. También se pueden utilizar aglutinantes cerámicos. Los productos comerciales se conocen con los nombres " Borazón " (de Hyperion Materials & Technologies [63] ) y "Elbor" o "Cubonita" (de vendedores rusos). [49]

A diferencia del diamante, los gránulos grandes de c-BN se pueden producir mediante un proceso simple (llamado sinterización) de recocido de polvos de c-BN en un flujo de nitrógeno a temperaturas ligeramente inferiores a la temperatura de descomposición del BN. Esta capacidad de los polvos de c-BN y h-BN para fusionarse permite la producción económica de piezas grandes de BN. [49]

Similar al diamante, la combinación en c-BN de la más alta conductividad térmica y resistividad eléctrica es ideal para los difusores de calor .

Como el nitruro de boro cúbico está formado por átomos ligeros y es muy robusto química y mecánicamente, es uno de los materiales más populares para las membranas de rayos X: su baja masa da como resultado una pequeña absorción de rayos X y sus buenas propiedades mecánicas permiten el uso de membranas delgadas, lo que reduce aún más la absorción. [64]

BN amorfo

Las capas de nitruro de boro amorfo (a-BN) se utilizan en algunos dispositivos semiconductores , por ejemplo, los MOSFET . Se pueden preparar mediante la descomposición química de tricloroborazina con cesio o mediante métodos de deposición química en fase de vapor térmica. La CVD térmica también se puede utilizar para la deposición de capas de h-BN o, a altas temperaturas, de c-BN. [65]

Otras formas de nitruro de boro

Nitruro de boro atómicamente fino

El nitruro de boro hexagonal se puede exfoliar para formar láminas mono o de pocas capas atómicas. Debido a su estructura análoga a la del grafeno, el nitruro de boro atómicamente delgado a veces se denomina grafeno blanco . [66]

Propiedades mecánicas

El nitruro de boro atómicamente delgado es uno de los materiales aislantes eléctricos más fuertes. El nitruro de boro monocapa tiene un módulo de Young promedio de 0,865 Tpa y una resistencia a la fractura de 70,5 GPa, y en contraste con el grafeno, cuya resistencia disminuye drásticamente con el aumento del espesor, las láminas de nitruro de boro de pocas capas tienen una resistencia similar a la del nitruro de boro monocapa. [67]

Conductividad térmica

El nitruro de boro atómicamente delgado tiene uno de los coeficientes de conductividad térmica más altos (751 W/mK a temperatura ambiente) entre los semiconductores y aislantes eléctricos, y su conductividad térmica aumenta con un espesor reducido debido a un menor acoplamiento intracapa. [68]

Estabilidad térmica

La estabilidad del grafeno en el aire muestra una clara dependencia del espesor: el grafeno monocapa es reactivo al oxígeno a 250 °C, fuertemente dopado a 300 °C y grabado a 450 °C; por el contrario, el grafito a granel no se oxida hasta los 800 °C. [69] El nitruro de boro atómicamente delgado tiene una resistencia a la oxidación mucho mejor que el grafeno. El nitruro de boro monocapa no se oxida hasta los 700 °C y puede soportar hasta 850 °C en el aire; las nanohojas de nitruro de boro bicapa y tricapa tienen temperaturas de inicio de oxidación ligeramente más altas. [70] La excelente estabilidad térmica, la alta impermeabilidad al gas y al líquido y el aislamiento eléctrico hacen que el nitruro de boro atómicamente delgado sea un material de recubrimiento potencial para prevenir la oxidación de la superficie y la corrosión de metales [71] [72] y otros materiales bidimensionales (2D), como el fósforo negro . [73]

Mejor adsorción superficial

Se ha descubierto que el nitruro de boro atómicamente delgado tiene mejores capacidades de adsorción superficial que el nitruro de boro hexagonal a granel. [74] Según estudios teóricos y experimentales, el nitruro de boro atómicamente delgado como adsorbente experimenta cambios conformacionales tras la adsorción superficial de moléculas, lo que aumenta la energía y la eficiencia de adsorción. El efecto sinérgico del espesor atómico, la alta flexibilidad, la mayor capacidad de adsorción superficial, el aislamiento eléctrico, la impermeabilidad y la alta estabilidad térmica y química de las nanohojas de BN pueden aumentar la sensibilidad Raman hasta en dos órdenes y, al mismo tiempo, lograr una estabilidad y una reutilización a largo plazo que no se pueden lograr fácilmente con otros materiales. [75] [76]

Propiedades dieléctricas

El nitruro de boro hexagonal atómicamente delgado es un excelente sustrato dieléctrico para el grafeno, el disulfuro de molibdeno ( MoS 2 ) y muchos otros dispositivos electrónicos y fotónicos basados ​​en materiales 2D. Como lo muestran los estudios de microscopía de fuerza eléctrica (EFM), el apantallamiento del campo eléctrico en el nitruro de boro atómicamente delgado muestra una dependencia débil del espesor, lo que está en línea con la descomposición suave del campo eléctrico dentro del nitruro de boro de pocas capas revelada por los cálculos de primeros principios. [69]

Características de Raman

La espectroscopia Raman ha sido una herramienta útil para estudiar una variedad de materiales 2D, y la firma Raman del nitruro de boro atómicamente delgado de alta calidad fue reportada por primera vez por Gorbachev et al. en 2011. [77] y Li et al. [70] Sin embargo, los dos resultados Raman reportados del nitruro de boro monocapa no concordaron entre sí. Por lo tanto, Cai et al. realizaron estudios teóricos y experimentales sistemáticos para revelar el espectro Raman intrínseco del nitruro de boro atómicamente delgado. [78] Revela que el nitruro de boro atómicamente delgado sin interacción con un sustrato tiene una frecuencia de banda G similar a la del nitruro de boro hexagonal a granel, pero la tensión inducida por el sustrato puede causar cambios Raman. Sin embargo, la intensidad Raman de la banda G del nitruro de boro atómicamente delgado se puede utilizar para estimar el espesor de la capa y la calidad de la muestra.

Nanomalla de BN observada con un microscopio de efecto túnel . El centro de cada anillo corresponde al centro de los poros.
Arriba: absorción de ciclohexano por el aerogel de BN. El ciclohexano se tiñe con el colorante rojo Sudán II y flota en el agua. Abajo: reutilización del aerogel después de quemarlo en el aire. [79]

Nanomalla de nitruro de boro

La nanomalla de nitruro de boro es un material bidimensional nanoestructurado. Consiste en una sola capa de BN, que forma por autoensamblaje una malla altamente regular después de la exposición a alta temperatura de una superficie limpia de rodio [80] o rutenio [81] a borazina bajo vacío ultra alto . La nanomalla parece un ensamblaje de poros hexagonales. La distancia entre dos centros de poros es de 3,2 nm y el diámetro de poro es de ~2 nm. Otros términos para este material son boronitreno o grafeno blanco. [82]

La nanomalla de nitruro de boro es estable al aire [83] y compatible con algunos líquidos. [84] [85] hasta temperaturas de 800 °C. [80]

Los nanotubos de BN son resistentes al fuego, como se muestra en esta prueba comparativa de aviones hechos de celulosa, buckypaper de carbono y buckypaper de nanotubos de BN. [86]

Nanotubos de nitruro de boro

Los túbulos de nitruro de boro fueron fabricados por primera vez en 1989 por Shore y Dolan. Este trabajo fue patentado en 1989 y publicado en la tesis de 1989 (Dolan) y luego en Science en 1993. El trabajo de 1989 también fue la primera preparación de BN amorfo mediante B-tricloroborazina y cesio metálico.

Los nanotubos de nitruro de boro se predijeron en 1994 [87] y se descubrieron experimentalmente en 1995. [88] Se pueden imaginar como una lámina enrollada de nitruro de boro-h. Estructuralmente, es un análogo cercano del nanotubo de carbono , es decir, un cilindro largo con un diámetro de varios a cientos de nanómetros y una longitud de muchos micrómetros, excepto que los átomos de carbono se sustituyen alternativamente por átomos de nitrógeno y boro. Sin embargo, las propiedades de los nanotubos de BN son muy diferentes: mientras que los nanotubos de carbono pueden ser metálicos o semiconductores dependiendo de la dirección y el radio de laminación, un nanotubo de BN es un aislante eléctrico con una banda prohibida de ~5,5 eV, básicamente independiente de la quiralidad y la morfología del tubo. [89] Además, una estructura de BN en capas es mucho más estable térmica y químicamente que una estructura de carbono grafítico. [90] [91]

Aerogel de nitruro de boro

El aerogel de nitruro de boro es un aerogel hecho de BN altamente poroso. Por lo general, consiste en una mezcla de nanotubos y nanoláminas de BN deformados . Puede tener una densidad tan baja como 0,6 mg/cm 3 y una superficie específica tan alta como 1050 m 2 /g, y por lo tanto tiene aplicaciones potenciales como absorbente , soporte de catalizador y medio de almacenamiento de gas. Los aerogeles de BN son altamente hidrófobos y pueden absorber hasta 160 veces su peso en petróleo. Son resistentes a la oxidación en el aire a temperaturas de hasta 1200 °C y, por lo tanto, se pueden reutilizar después de que el petróleo absorbido se queme con llama. Los aerogeles de BN se pueden preparar mediante deposición química en fase de vapor asistida por plantilla utilizando borazina como gas de alimentación. [79]

Compuestos que contienen BN

La adición de nitruro de boro a la cerámica de nitruro de silicio mejora la resistencia al choque térmico del material resultante. Con el mismo propósito, también se añade BN a la cerámica de nitruro de silicio- alúmina y nitruro de titanio -alúmina. Otros materiales que se refuerzan con BN incluyen alúmina y circonia , vidrios de borosilicato , vitrocerámicas , esmaltes y cerámicas compuestas con composición de boruro de titanio -nitruro de boro, boruro de titanio-nitruro de aluminio -nitruro de boro y carburo de silicio -nitruro de boro. [92]

El nitruro de boro estabilizado con zirconia (ZSBN) se produce agregando zirconia al BN, mejorando su resistencia al choque térmico y su resistencia mecánica a través de un proceso de sinterización . [93] Ofrece mejores características de rendimiento, incluida una resistencia superior a la corrosión y la erosión en un amplio rango de temperaturas. [94] Su combinación única de conductividad térmica, lubricidad , resistencia mecánica y estabilidad lo hace adecuado para diversas aplicaciones, incluidas herramientas de corte y recubrimientos resistentes al desgaste, aislamiento térmico y eléctrico, aeroespacial y de defensa, y componentes de alta temperatura. [95] [96]

Nitruro de boro pirolítico (PBN)

El nitruro de boro pirolítico (PBN), también conocido como nitruro de boro depositado químicamente en fase de vapor (CVD-BN), [97] es un material cerámico de alta pureza que se caracteriza por una resistencia química y una resistencia mecánica excepcionales a altas temperaturas. [98] El nitruro de boro pirolítico se prepara típicamente a través de la descomposición térmica de tricloruro de boro y vapores de amoníaco sobre sustratos de grafito a 1900 °C. [99]

El nitruro de boro pirolítico (PBN) generalmente tiene una estructura hexagonal similar al nitruro de boro hexagonal (hBN), aunque puede exhibir fallas de apilamiento o desviaciones de la red ideal. [100] El nitruro de boro pirolítico (PBN) muestra algunos atributos notables, que incluyen una inercia química excepcional, alta resistencia dieléctrica , excelente resistencia al choque térmico, no humectabilidad, no toxicidad, resistencia a la oxidación y mínima desgasificación . [101] [102]

Debido a una textura plana altamente ordenada similar al grafito pirolítico (PG), exhibe propiedades anisotrópicas tales como una constante dieléctrica más baja vertical al plano del cristal y una mayor resistencia a la flexión a lo largo del plano del cristal . [103] El material PBN se ha fabricado ampliamente como crisoles de cristales semiconductores compuestos , ventanas de salida y varillas dieléctricas de tubos de ondas viajeras, plantillas de alta temperatura y aislantes . [104]

Problemas de salud

El nitruro de boro (junto con Si3N4 , NbN y BNC ) generalmente se considera no tóxico y no exhibe actividad química en sistemas biológicos. [105] Debido a su excelente perfil de seguridad y propiedades lubricantes, el nitruro de boro encuentra un uso generalizado en varias aplicaciones, incluidos los cosméticos y los equipos de procesamiento de alimentos. [106] [107]

Véase también

Notas

  1. ^ Aquí la humectación se refiere a la capacidad de un metal fundido de mantener contacto con BN sólido.

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