Net zoals koolstof zowel de broze kern van een nr. 2 potlood als de diamant die harder is dan staal in een snijgereedschap vormt, geeft boornitride aanleiding tot verbindingen die zacht of hard kunnen zijn. Toch is er, in tegenstelling tot koolstof, veel minder bekend over de vormen van boornitride en hun reacties op veranderende temperaturen en druk.

Wetenschappers van Rice University mengden hexagonaal boornitride – een zachte variant die ook bekend staat als ‘wit grafiet’ – met kubisch boornitride – een materiaal dat qua hardheid de tweede is na diamant – en ontdekten dat het resulterende nanocomposiet op onverwachte manieren interageerde met licht en warmte, wat nuttig zou kunnen zijn in microchips van de volgende generatie, kwantumapparaten en andere geavanceerde technologische toepassingen.

"Hexagonaal boornitride wordt veel gebruikt in een verscheidenheid aan producten, zoals coatings, smeermiddelen en cosmetica", zegt Abhijit Biswas, wetenschappelijk onderzoeker en hoofdauteur van een onderzoek over het onderzoek gepubliceerd in Nano Letters . "Het is vrij zacht en het is een geweldig smeermiddel, en heel licht van gewicht. Het is ook goedkoop en zeer stabiel bij kamertemperatuur en onder atmosferische druk.

"Kubisch boornitride is ook een heel interessant materiaal, met eigenschappen die het veelbelovend maken voor gebruik in de elektronica. In tegenstelling tot hexagonaal boornitride is het superhard; het komt qua hardheid zelfs dicht bij diamant."

De composiet van deze twee ogenschijnlijk tegengestelde materialen presteerde beter dan de moedermaterialen in verschillende functionaliteiten.

"We ontdekten dat het composiet een lage thermische geleidbaarheid had, wat betekent dat het bijvoorbeeld zou kunnen dienen als warmte-isolerend materiaal in elektronische apparaten", zei Biswas. "De thermische en optische eigenschappen van het gemengde materiaal verschillen sterk van het gemiddelde van de twee boornitridevariëteiten."

Hanyu Zhu, een van de corresponderende auteurs van het onderzoek, zei dat hij verwachtte dat "de optische eigenschap die we meten, de tweede harmonische generatie genoemd, klein zou zijn voor dit soort ongeordend materiaal.

"Maar na verhitting blijkt het eigenlijk behoorlijk groot te zijn, een orde van grootte groter dan zowel het individuele materiaal als het onbehandelde mengsel", zegt Zhu, de William Marsh Rice Chair en assistent-professor materiaalkunde en nano-engineering.

Hij zei dat de boor- en stikstofatomen in het composiet een grotere regelmaat vertoonden en grotere korrels vormden, waarbij een korrel de grootte aangeeft van een groep atomen die coherent in een rooster zijn uitgelijnd.

"We waren verrast toen we ontdekten dat de kubieke boornitridekorrels in dit materiaal groeien in plaats van afnemen ten opzichte van de kleine korrels in de ongemengde uitgangsverbindingen", zei hij.

Theoretische voorspellingen en experimentele resultaten leverden concurrerende beweringen op over welke van de twee boornitridevariëteiten het stabielst was:

"Sommige theoretici zeggen dat kubisch boornitride onder omgevingsomstandigheden stabieler is", zei Biswas. "Experimenteel hebben mensen gezien dat hexagonaal boornitride erg stabiel is. Dus als je iemand vraagt ​​welke fase van boornitride het meest stabiel is, zullen ze waarschijnlijk zeggen hexagonaal boornitride. Wat we experimenteel zien is het tegenovergestelde van wat mensen doen. theoretisch gezien, en het staat nog steeds ter discussie."

Toen het composiet werd onderworpen aan een snelle techniek bij hoge temperaturen, bekend als vonkplasma-sinteren, veranderde het in hexagonaal boornitride. Biswas zei dat dit de theoretische voorspellingen bevestigde en hielp een vollediger beeld te schetsen van "welke soorten boornitriden verschijnen onder welke omstandigheden."

Bovendien was het na deze behandeling verkregen hexagonale boornitride van een hogere kwaliteit dan het materiaal dat aanvankelijk voor het mengsel werd gebruikt.

"Waar we nu naar zullen kijken is of de vonkplasma-sintertechniek op zichzelf de kwaliteit van hexagonaal boornitride verbetert, of dat je composiet nodig hebt om dat effect te bereiken," zei Biswas.

"Het fascinerende aan deze studie is dat het mogelijkheden opent om boornitridematerialen op maat te maken met de juiste hoeveelheden hexagonale en kubieke structuren, waardoor een breed scala aan op maat gemaakte mechanische, thermische, elektrische en optische eigenschappen van dit materiaal mogelijk wordt", zegt Pulickel. Ajayan, corresponderend auteur van de studie en voorzitter van Rice's Department of Materials Science and Nanoengineering. Ajayan is de Benjamin M. en Mary Greenwood Anderson Professor of Engineering en hoogleraar materiaalkunde en nano-engineering, chemie, en chemische en biomoleculaire technologie.

Meer informatie: Abhijit Biswas et al., Fasestabiliteit van zeshoekige/kubieke boornitride-nanocomposieten, Nanoletters (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01537

Journaalinformatie: Nanobrieven

Aangeboden door Rice University