In de scheikunde is structuur alles. Verbindingen met dezelfde chemische formule kunnen verschillende eigenschappen hebben, afhankelijk van de rangschikking van de moleculen waaruit ze zijn gemaakt. En verbindingen met een andere chemische formule maar een vergelijkbare moleculaire rangschikking kunnen vergelijkbare eigenschappen hebben.

Grafeen en een vorm van boornitride genaamd hexagonaal boornitride vallen in de laatste groep. Grafeen bestaat uit koolstofatomen. Boornitride, BN, is samengesteld uit boor- en stikstofatomen. Hoewel hun chemische formules verschillen, hebben ze een vergelijkbare structuur – zo vergelijkbaar dat veel scheikundigen hexagonaal boornitride 'wit grafeen' noemen.

Op koolstof gebaseerd grafeen heeft veel nuttige eigenschappen. Het is dun maar sterk en geleidt warmte en elektriciteit zeer goed, waardoor het ideaal is voor gebruik in de elektronica.

Op dezelfde manier heeft hexagonaal boornitride een groot aantal eigenschappen die vergelijkbaar zijn met grafeen en die de biomedische beeldvorming en de toediening van medicijnen zouden kunnen verbeteren, evenals computers, smartphones en LED's. Onderzoekers hebben dit type boornitride jarenlang bestudeerd.

Maar hexagonaal boornitride is niet de enige bruikbare vorm waarin deze verbinding voorkomt.

Als materiaalingenieurs heeft ons onderzoeksteam onderzoek gedaan naar een ander type boornitride, kubisch boornitride genaamd. We willen weten of het combineren van de eigenschappen van hexagonaal boornitride met kubisch boornitride de deur zou kunnen openen naar nog nuttiger toepassingen.

Zeshoekig versus kubisch

Zeshoekig boornitride zijn, zoals je zou kunnen raden, boornitridemoleculen gerangschikt in de vorm van een platte zeshoek. Het ziet er honingraatvormig uit, zoals grafeen. Kubisch boornitride heeft een driedimensionale roosterstructuur en ziet er op moleculair niveau uit als een diamant.

H-BN is dun, zacht en wordt in cosmetica gebruikt om ze een zijdezachte textuur te geven. Het smelt of degradeert niet, zelfs niet onder extreme hitte, waardoor het ook bruikbaar is in elektronica en andere toepassingen. Sommige wetenschappers voorspellen dat het gebruikt kan worden om een ​​stralingsschild voor ruimtevaartuigen te bouwen.

C-BN is hard en resistent. Het wordt in de productie gebruikt om snijgereedschappen en boren te maken, en het kan zijn scherpe rand behouden, zelfs bij hoge temperaturen. Het kan ook helpen de warmte in de elektronica af te voeren.

Ook al lijken h-BN en c-BN misschien verschillend, uit ons onderzoek is gebleken dat ze bij elkaar nog meer potentieel bieden dan elk afzonderlijk.

Beide soorten boornitride geleiden warmte en kunnen voor elektrische isolatie zorgen, maar de ene, h-BN, is zacht en de andere, c-BN, is hard. We wilden dus kijken of ze samen gebruikt konden worden om materialen met interessante eigenschappen te creëren.

Het combineren van hun verschillende gedragingen zou bijvoorbeeld een coatingmateriaal effectief kunnen maken voor structurele toepassingen bij hoge temperaturen. C-BN kan een sterke hechting aan een oppervlak bieden, terwijl de smerende eigenschappen van h-BN slijtage kunnen weerstaan. Beide samen zorgen ervoor dat het materiaal niet oververhit raakt.

Boornitride maken

Deze klasse materialen komt van nature niet voor, dus wetenschappers moeten het in het laboratorium maken. Over het algemeen was c-BN van hoge kwaliteit moeilijk te synthetiseren, terwijl h-BN relatief gemakkelijker te maken is als films van hoge kwaliteit, met behulp van zogenaamde dampfasedepositiemethoden.

Bij depositie in de dampfase verwarmen we boor- en stikstofhoudende materialen totdat ze verdampen. De verdampte moleculen worden vervolgens op een oppervlak afgezet, afkoelen, binden zich aan elkaar en vormen een dunne film van BN.

Ons onderzoeksteam heeft gewerkt aan het combineren van h-BN en c-BN met behulp van soortgelijke processen als depositie in de dampfase, maar we kunnen ook poeders van de twee met elkaar mengen. Het idee is om een ​​materiaal te bouwen met de juiste mix van h-BN en c-BN voor thermische, mechanische en elektronische eigenschappen die we kunnen verfijnen.

Ons team heeft ontdekt dat de samengestelde substantie, gemaakt door het combineren van beide vormen van BN, een verscheidenheid aan potentiële toepassingen heeft. Wanneer u een laserstraal op de stof richt, flitst deze helder. Onderzoekers zouden deze eigenschap kunnen gebruiken om beeldschermen te maken en bestralingstherapieën op medisch gebied te verbeteren.

We hebben ook ontdekt dat we kunnen aanpassen hoe warmtegeleidend het composietmateriaal is. Dit betekent dat ingenieurs dit BN-composiet kunnen gebruiken in machines die warmte beheren. De volgende stap is het proberen grote platen te vervaardigen gemaakt van een h-BN- en c-BN-composiet. Als we dit nauwkeurig doen, kunnen we de mechanische, thermische en optische eigenschappen afstemmen op specifieke toepassingen.

In de elektronica zou h-BN kunnen fungeren als een diëlektricum (of isolator) naast grafeen in bepaalde elektronica met een laag vermogen. Als diëlektricum zou h-BN de elektronica helpen efficiënt te werken en hun lading te behouden.

C-BN zou samen met diamant kunnen werken om materialen met een ultrabrede bandafstand te creëren waarmee elektronische apparaten op een veel hoger vermogen kunnen werken. Diamond en c-BN geleiden beide warmte goed, en samen zouden ze kunnen helpen deze krachtige apparaten, die veel extra warmte genereren, af te koelen.

H-BN en c-BN afzonderlijk zouden kunnen leiden tot elektronica die uitzonderlijk goed presteert in verschillende contexten. Samen hebben ze ook een groot aantal potentiële toepassingen.

Ons BN-composiet zou de warmteverspreiders en isolatoren kunnen verbeteren, en het zou kunnen werken in energieopslagmachines zoals supercondensatoren, dit zijn snelladende apparaten voor energieopslag, en oplaadbare batterijen.

We blijven de eigenschappen van BN bestuderen, en hoe we deze kunnen gebruiken in smeermiddelen, coatings en slijtvaste oppervlakken. Het ontwikkelen van manieren om de productie op te schalen zal van cruciaal belang zijn voor het verkennen van de toepassingen ervan, van materiaalkunde tot elektronica en zelfs milieuwetenschappen.

Journaalinformatie: Nanobrieven

Aangeboden door The Conversation

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.