Op boornitride gebaseerde nanocomposieten hebben onverwachte eigenschappen, ontdekken onderzoekers

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

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

“Zeshoekig boornitride wordt veel gebruikt in een verscheidenheid aan producten, zoals coatings, smeermiddelen en cosmetica”, zegt Abhijit Biswas, een onderzoekswetenschapper die de hoofdauteur is van een studie over het onderzoek gepubliceerd in Nano-brieven. “Het is vrij zacht en het is een geweldig smeermiddel, en erg licht. Het is ook goedkoop en zeer stabiel bij kamertemperatuur en onder atmosferische druk.

“Kubisch boornitride is ook een zeer interessant materiaal, met eigenschappen die het zeer veelbelovend maken voor gebruik in elektronica. In tegenstelling tot hexagonaal boornitride is het superhard – het komt in de buurt van diamant in hardheid.”

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

“We ontdekten dat de composiet een lage thermische geleidbaarheid had, wat betekent dat het bijvoorbeeld kan dienen als warmte-isolerend materiaal in elektronische apparaten, ” zei Biswas. “De thermische en optische eigenschappen van het gemengde materiaal zijn heel anders dan een gemiddelde van de twee boornitride-variëteiten.”

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

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

Hij zei dat de boor- en stikstofatomen in de 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 om te ontdekken dat de kubische boornitridekorrels groeien in plaats van afnemen in dit materiaal 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 bij omgevingsomstandigheden stabieler is”, zei Biswas. “Experimenteel hebben mensen gezien dat hexagonaal boornitride erg stabiel is. Dus als je iemand vraagt ​​welke boornitride-fase het meest stabiel is, zullen ze waarschijnlijk hexagonaal boornitride zeggen. Wat we experimenteel zien, is het tegenovergestelde van wat mensen zijn. zeggen theoretisch, en het is nog steeds ter discussie.”

Toen de composiet werd onderworpen aan een snelle techniek bij hoge temperatuur, bekend als vonkplasma-sintering, transformeerde het in hexagonaal boornitride. Biswas zei dat dit theoretische voorspellingen bevestigde en hielp een vollediger beeld te schetsen van “welke soorten boornitrides onder welke omstandigheden verschijnen”.

Bovendien was het na deze behandeling verkregen hexagonale boornitride van een hogere kwaliteit dan het oorspronkelijk voor het mengsel gebruikte.

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

“Het fascinerende aan deze studie is dat het mogelijkheden opent om boornitridematerialen op maat te maken met de juiste hoeveelheden hexagonale en kubische structuren, waardoor een breed scala aan op maat gemaakte mechanische, thermische, elektrische en optische eigenschappen in dit materiaal mogelijk wordt”, zei Pulickel. Ajayan, een overeenkomstige 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 een professor in materiaalkunde en nano-engineering, chemie en chemische en biomoleculaire engineering.