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nitruro de boro

El nitruro de boro es un compuesto refractario de boro y nitrógeno resistente térmica y químicamente con la fórmula química BN . Existe en varias formas cristalinas que son isoelectrónicas con respecto 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 tanto, se utiliza como lubricante y aditivo en productos cosméticos. La variedad cúbica ( cincblenda, también conocida como estructura de esfalerita ) análoga al diamante se llama c-BN; Es más blando que el diamante, pero su estabilidad térmica y química es superior. La rara modificación de wurtzita BN es similar a la lonsdaleita 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, dando lugar a diferentes propiedades generales 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 análogo 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 fuerzas débiles de van der Waals . Sin embargo, el "registro" entre capas de estas láminas difiere del patrón observado en el grafito, porque los átomos están eclipsados, con los átomos de boro por encima y por encima de los átomos de nitrógeno. Este registro refleja la polaridad local de los enlaces B-N, así como las características del donante de N/aceptor de B entre capas. Asimismo, existen muchas formas metaestables que constan de politipos apilados de manera diferente. Por lo tanto, h-BN y grafito son vecinos muy cercanos y el material puede acomodar 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 de nitruro de boro hexagonal es análoga al grafeno y tiene una estructura reticular de panal de casi las mismas dimensiones. A diferencia del grafeno, que es negro y conductor eléctrico, la monocapa h-BN es blanca y aislante. Se ha propuesto su uso como sustrato aislante plano atómico o barrera dieléctrica de 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 esfalerita (grupo espacial = F 4 3m), la misma que la del diamante (con átomos B y N ordenados), y también se llama 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 lonsdaleita , un raro polimorfo hexagonal de 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 están agrupados 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 . Informes optimistas anteriores predijeron que la forma wurtzita era muy fuerte y, mediante una simulación, se estimó que tenía potencialmente una resistencia un 18% más fuerte que la del diamante. Dado que en la naturaleza sólo existen pequeñas cantidades del mineral, 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 h-BN reduce la covalencia y la conductividad eléctrica, mientras que la interacción entre capas aumenta, lo que resulta en una mayor dureza de h-BN en relación con el grafito. La reducida deslocalización de electrones en la BN hexagonal también se indica por su ausencia de color y una gran banda prohibida . 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 perpendicularmente a ellos. Por el contrario, las propiedades de c-BN y w-BN son más homogéneas e isotrópicas.

Esos materiales son extremadamente duros, siendo la dureza del c-BN en masa 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 superior a la del 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 se encuentra entre las más altas de todos los aislantes eléctricos (ver tabla).

El nitruro de boro se puede dopar de tipo p con berilio y de tipo n con boro, azufre, silicio o codopado con carbono y nitrógeno. [13] Tanto los BN hexagonales como los cúbicos son semiconductores de banda ancha con una energía de banda prohibida correspondiente a la región UV. Si se aplica voltaje a h-BN [20] [21] o c-BN, [22] , entonces emite luz ultravioleta en el rango de 215 a 250 nm y, por lo tanto, puede usarse potencialmente 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, h-BN es estable a la descomposición a temperaturas de hasta 1000 °C en aire, 1400 °C en vacío y 2800 °C en atmósfera inerte. La reactividad de h-BN y c-BN es relativamente similar y los datos de c-BN se resumen en la siguiente tabla.

La estabilidad térmica de 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 nitruros y sales fundidas alcalinas, 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 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 el grafeno. nanocintas. [25] [26] Además, el transporte térmico en los BNNR es anisotrópico . La conductividad térmica de los BNNR con bordes en zigzag es aproximadamente un 20% mayor que la de las nanocintas con bordes de sillón a temperatura ambiente. [27]

Propiedades mecánicas

Las nanohojas de BN consisten en nitruro de boro hexagonal (h-BN). Son estables hasta 800°C en el aire. La estructura del BN monocapa 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 la relación de Poisson depende del tamaño del sistema. [30] h-BN también exhibe resistencia y tenacidad fuertemente anisotrópicas , [31] y las mantiene en una variedad de defectos de vacancia , lo que demuestra que la anisotropía es independiente del tipo de defecto.

ocurrencia natural

En 2009, se informó sobre la forma cúbica (c-BN) en el Tíbet y se propuso el nombre de qingsongita . La sustancia se encontró en inclusiones dispersas del tamaño de una micra 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 de BN hexagonal.

El nitruro de boro hexagonal se obtiene tratando trióxido de boro ( B 2 O 3 ) o ácido bórico ( H 3 BO 3 ) con amoníaco ( NH 3 ) o urea ( CO(NH 2 ) 2 ) en una atmósfera inerte: [36]

B 2 O 3 + 2 NH 3 → 2 BN + 3 H 2 O ( T = 900 °C)
B(OH) 3 + NH 3 → BN + 3 H 2 O ( T = 900 °C)
B 2 O 3 + CO(NH 2 ) 2 → 2 BN + CO 2 + 2 H 2 O ( T > 1000 °C)
B 2 O 3 + 3 CaB 6 + 10 N 2 → 20 BN + 3 CaO ( 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 B2O3 . El B 2 O 3 restante se puede evaporar en un segundo paso a temperaturas > 1500 °C para alcanzar una concentración de BN > 98 %. Dicho recocido también cristaliza BN, aumentando el tamaño de los cristalitos con la temperatura de recocido. [19] [37]

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

Li 3 N + BN → Li 3 BN 2

Intercalación de BN hexagonal

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

Varias especies se intercalan en BN hexagonal, como el intercalado de NH 3 [42] o metales alcalinos. [43]

Preparación de BN cúbico.

El c-BN se prepara de forma análoga a la preparación de diamante sintético a partir de grafito. Se ha observado la conversión directa de 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-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 industrial, nuevamente tomados del crecimiento de diamantes, utilizan el crecimiento de cristales en un gradiente de temperatura u onda de choque explosiva . El método de la 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 principal problema 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, para c-BN se utiliza trifluoruro de boro . También se utilizan la deposición por haz de iones , la deposición química de vapor mejorada con plasma , la deposición por láser pulsado , la pulverización catódica reactiva y otros métodos físicos de deposición de vapor . [38]

Preparación de wurtzita BN.

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

Estadísticas de producción

Mientras que 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 (ver boro ), las cifras correspondientes al nitruro de boro no figuran en los informes estadísticos. Una estimación para la producción mundial de 1999 es de 300 a 350 toneladas métricas . Los principales productores y consumidores de BN se encuentran en Estados Unidos, Japón, China y Alemania. En 2000, los precios variaban entre 75 y 120 dólares/kg para los grados de BN de alta pureza y entre 200 y 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 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 carbón, se puede agregar h-BN con su estabilidad térmica superior a los lubricantes de motor. Como ocurre con todas las suspensiones de nanopartículas, el asentamiento por movimiento browniano es un problema. Los asentamientos pueden obstruir los filtros de aceite del motor, lo que limita las aplicaciones de lubricantes sólidos en un motor de combustión a las carreras de automóviles, donde es común la reconstrucción de motores. Dado que el carbono tiene una solubilidad apreciable en ciertas aleaciones (como los aceros), lo que puede conducir a la degradación de las propiedades, el BN suele ser superior para aplicaciones de alta temperatura y/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 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 lápices . [49]

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

Debido a su excelente estabilidad térmica y química, las cerámicas y revestimientos de nitruro de boro se utilizan en equipos de alta temperatura. h-BN se puede incluir en cerámicas, aleaciones, resinas, plásticos, cauchos y otros materiales, dándoles propiedades autolubricantes. Estos materiales son adecuados para la construcción, por ejemplo, de cojinetes y para la fabricación de acero. [19] Muchos dispositivos cuánticos utilizan h-BN multicapa como material de sustrato. También se puede utilizar como dieléctrico en memorias resistivas de acceso aleatorio. [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 aglutinantes y pueden utilizarse hasta 3000 °C. [53]

Las nanohojas de nitruro de boro (h-BN) se pueden depositar mediante descomposición catalítica de boracina a una temperatura de ~1100 °C en una configuración de deposición química de vapor , en áreas de hasta aproximadamente 10 cm 2 . Debido a su estructura atómica hexagonal, su pequeña discrepancia en la red con el grafeno (~2%) y su alta uniformidad, se utilizan como sustratos para dispositivos basados ​​en grafeno. [54] Las nanohojas BN también son excelentes conductoras de protones . Su alta tasa de transporte de protones, combinada con la alta resistencia eléctrica, puede dar lugar a aplicaciones en pilas de combustible y electrólisis de agua . [55]

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

h-BN se utiliza como agente desmoldante en aplicaciones de vidrio y metal fundido. Por ejemplo, ZYP Coatings desarrolló y actualmente produce una línea de recubrimientos h-BN pintables 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, molde o crisol) no se adhiere al material. [58] [59] [60] [61]

BN cúbico

El nitruro de boro cúbico (CBN o c-BN) se utiliza 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 entra 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 a los metales debido a la formación de capas intermedias de boruros o nitruros metálicos. Los materiales con cristales cúbicos de nitruro de boro se utilizan a menudo en las puntas de las herramientas de corte . Para aplicaciones de esmerilado se utilizan aglutinantes más blandos como resina, cerámica porosa y metales blandos. También se pueden utilizar aglutinantes cerámicos. Los productos comerciales se conocen con los nombres " Borazon " (de Hyperion Materials & Technologies [63] ) y "Elbor" o "Cubonite" (de proveedores rusos). [49]

A diferencia del diamante, se pueden producir gránulos grandes de c-BN 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 fusión de los polvos c-BN y h-BN permite una producción económica de piezas BN grandes. [49]

Al igual que el diamante, la combinación en c-BN de mayor conductividad térmica y resistividad eléctrica es ideal para esparcidores 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 populares para las membranas de rayos X: una masa baja da como resultado una absorción de rayos X pequeña, y las buenas propiedades mecánicas permiten el uso de membranas delgadas, además reduciendo la absorción. [64]

BN amorfo

En algunos dispositivos semiconductores , por ejemplo, los MOSFET , se utilizan capas de nitruro de boro amorfo (a-BN) . Pueden prepararse mediante descomposición química de tricloro borazina con cesio , o mediante métodos de deposición química térmica de vapor. El CVD térmico también se puede utilizar para la deposición de capas de h-BN o, a altas temperaturas, c-BN. [65]

Otras formas de nitruro de boro

Nitruro de boro atómicamente delgado

El nitruro de boro hexagonal se puede exfoliar en láminas de una o 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, a diferencia del 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 dentro de la capa. [68]

Estabilidad térmica

La estabilidad del grafeno en el aire muestra una clara dependencia del espesor: el grafeno monocapa reacciona al oxígeno a 250 °C, está fuertemente dopado a 300 °C y se graba a 450 °C; por el contrario, el grafito en masa 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 700 °C y puede resistir 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 a gases y líquidos y el aislamiento eléctrico hacen que el nitruro de boro atómicamente delgado sea un material de recubrimiento potencial para prevenir la oxidación superficial 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 la adsorción. El efecto sinérgico del espesor atómico, la alta flexibilidad, la mayor capacidad de adsorción de la superficie, el aislamiento eléctrico, la impermeabilidad y la alta estabilidad térmica y química de las nanoláminas de BN pueden aumentar la sensibilidad Raman hasta en dos órdenes y, mientras tanto, lograr estabilidad a largo plazo y Reutilizabilidad que no se puede lograr fácilmente con otros materiales. [75] [76]

Propiedades dieléctricas

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

Características ramanas

La espectroscopia Raman ha sido una herramienta útil para estudiar una variedad de materiales 2D, y Gorbachev et al informaron por primera vez de la firma Raman del nitruro de boro atómicamente delgado de alta calidad. en 2011. [77] y Li et al. [70] Sin embargo, los dos resultados Raman informados de nitruro de boro monocapa no coincidieron entre sí. Por lo tanto, Cai et al. realizaron estudios experimentales y teóricos 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 en masa, pero la tensión inducida por el sustrato puede causar cambios Raman. Sin embargo, la intensidad Raman de la banda G de nitruro de boro atómicamente delgado se puede utilizar para estimar el espesor de la capa y la calidad de la muestra.

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

Nanomalla de nitruro de boro

La nanomalla de nitruro de boro es un material bidimensional nanoestructurado. Consiste en una única capa de BN, que forma mediante autoensamblaje una malla muy regular después de la exposición a alta temperatura de una superficie limpia de rodio [80] o rutenio [81] a boracina bajo vacío ultra alto . La nanomalla parece un conjunto de poros hexagonales. La distancia entre dos centros de poros es de 3,2 nm y el diámetro de los poros 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 BN son resistentes a las llamas, como se muestra en esta prueba comparativa de aviones fabricados con celulosa, papel bucky de carbono y papel bucky de nanotubos 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 1989 en su tesis (Dolan) y luego en 1993 en Science. El trabajo de 1989 fue también 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] Pueden imaginarse como una lámina enrollada de nitruro de h-boro. 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 están sustituidos 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 rodamiento, 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 BN son altamente hidrofóbicos y pueden absorber hasta 160 veces su peso en aceite. Son resistentes a la oxidación en el aire a temperaturas de hasta 1200 °C y, por lo tanto, pueden reutilizarse después de que el aceite absorbido se queme con una llama. Los aerogeles BN se pueden preparar mediante deposición química de vapor asistida por plantilla utilizando boracina como gas de alimentación. [79]

Compuestos que contienen BN

La adición de nitruro de boro a las cerámicas de nitruro de silicio mejora la resistencia al choque térmico del material resultante. Con el mismo fin, se añade BN también a las cerámicas de nitruro de silicio- alúmina y nitruro de titanio -alúmina. Otros materiales reforzados con BN incluyen alúmina y circonio , vidrios de borosilicato , vitrocerámicas , esmaltes y cerámicas compuestas con una 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 circonio (ZSBN) se produce añadiendo circonio al BN, lo que mejora su resistencia al choque térmico y su resistencia mecánica mediante 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 por vapor químico (CVD-BN), [97] es un material cerámico de alta pureza caracterizado por una resistencia química y mecánica excepcionales a altas temperaturas. [98] El nitruro de boro pirolítico normalmente se prepara mediante 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 presentar 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 rigidez dieléctrica , excelente resistencia al choque térmico, no humectabilidad, no toxicidad, resistencia a la oxidación y desgasificación mínima . [101] [102]

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

Problemas de salud

El nitruro de boro (junto con Si 3 N 4 , 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 diversas aplicaciones, incluidos cosméticos y equipos de procesamiento de alimentos. [106] [107]

Ver también

Notas

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

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