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 a una red de carbono estructurada de manera similar . La forma hexagonal correspondiente al grafito es la más estable y blanda entre los polimorfos BN, por lo que se utiliza como lubricante y aditivo en productos cosméticos. La variedad cúbica ( estructura de esfalerita ) análoga al diamantese 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. [2]
Nombres | |
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Nombre IUPAC Nitruro de boro | |
Identificadores | |
Modelo 3D ( JSmol ) |
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CHEBI | |
ChemSpider | |
Tarjeta de información ECHA | 100.030.111 |
Número CE |
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216 | |
Malla | Elbor |
PubChem CID | |
Número RTECS |
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UNII | |
Tablero CompTox ( EPA ) | |
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Propiedades | |
B N | |
Masa molar | 24,82 g · mol −1 |
Apariencia | Cristales incoloros |
Densidad | 2,1 (h-BN); 3,45 (c-BN) g / cm 3 |
Punto de fusion | 2,973 ° C (5,383 ° F; 3,246 K) sublima (cBN) |
insoluble | |
Movilidad de electrones | 200 cm 2 / (V · s) (cBN) |
Índice de refracción ( n D ) | 1,8 (h-BN); 2.1 (c-BN) |
Estructura | |
hexagonal , esfalerita , wurtzita | |
Termoquímica | |
Capacidad calorífica ( C ) | 19,7 J / (K · mol) [1] |
Entropía molar estándar ( S | 14,8 J / K mol [1] |
Entalpía estándar de formación (Δ f H ⦵ 298 ) | -254,4 kJ / mol [1] |
Energía libre de Gibbs (Δ f G ˚) | -228,4 kJ / mol [1] |
Peligros | |
Pictogramas GHS | |
Palabra de señal GHS | Advertencia |
Declaraciones de peligro GHS | H319 , H335 , H413 |
Consejos de prudencia del SGA | P261 , P264 , P271 , P273 , P280 , P304 + 340 , P305 + 351 + 338 , P312 , P337 + 313 , P403 + 233 , P405 , P501 |
NFPA 704 (diamante de fuego) | 0 0 0 |
Compuestos relacionados | |
Compuestos relacionados | Arseniuro de boro Carburo de |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
verificar ( ¿qué es ?) | |
Referencias de Infobox | |
Debido a su excelente estabilidad térmica y química, las cerámicas de nitruro de boro se utilizan tradicionalmente como partes de equipos de alta temperatura. El nitruro de boro tiene un uso potencial en nanotecnología. Se pueden producir nanotubos de BN que tienen una estructura similar a la de los nanotubos de carbono , es decir, láminas de grafeno (o BN) enrolladas sobre sí mismas, pero las propiedades son muy diferentes.
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 de volumen 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 de puntos = D 6h ; 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 . El "registro" entre capas de estas hojas difiere, sin embargo, del patrón visto para el grafito, porque los átomos están eclipsados, y los átomos de boro se encuentran por encima y por encima de los átomos de nitrógeno. Este registro refleja la polaridad de los enlaces B – N. Aún así, h-BN y grafito son vecinos muy cercanos e incluso los híbridos BC 6 N se han sintetizado donde el carbono sustituye a algunos átomos de B y N. [3]
Forma cúbica (c-BN)
El nitruro de boro cúbico tiene una estructura cristalina análoga a la del diamante . De acuerdo con 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 , la misma que la del diamante, y también se llama β-BN o c-BN.
Forma de wurtzita (w-BN)
La forma wurtzita del nitruro de boro (w-BN; grupo de puntos = C 6v ; grupo espacial = P6 3 mc) tiene la misma estructura que la lonsdaleita , un polimorfo hexagonal raro de carbono. Al igual que en la forma cúbica, los átomos de boro y nitrógeno se agrupan en tetraedros . [4] Como 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 la configuración de la silla , en w-BN los anillos entre las 'capas' están en la configuración del barco . Informes optimistas anteriores predijeron que se cree que la forma de Wurtzita es muy fuerte, y se estimó mediante una simulación que potencialmente tiene una fuerza un 18% más fuerte que la del diamante, pero debido a que solo existen pequeñas cantidades del mineral en la naturaleza, esto aún no ha ocurrido. sido verificado experimentalmente., [5] estudios recientes midieron w-BN dureza a 46 GPa ligeramente más duro que boruros comerciales, pero más suave que la forma cúbica de nitruro de boro. [2]
Forma hexagonal (h-BN)
hexagonal análoga al grafitoEstructura de
esfalerita de forma cúbica (c-BN)
análoga al diamanteForma de wurtzita (w-BN) estructura de
wurtzita
análoga a lonsdaleita
Propiedades
Físico
Material | a-BN | h-BN | c-BN | w-BN | grafito | diamante |
---|---|---|---|---|---|---|
Densidad (g / cm 3 ) | 2,28 | ~ 2.1 | 3,45 | 3,49 | ~ 2.1 | 3.515 |
Dureza Knoop (GPa) | 10 | 45 | 34 | 100 | ||
Módulo de volumen (GPa) | 100 | 36,5 | 400 | 400 | 34 | 440 |
Conductividad térmica (W / (m · K)) | 3 | 600 ∥, 30 ⟂ | 740 | 200–2000 ∥, 2–800 ⟂ | 600-2000 | |
Expansión térmica (10 −6 / ° C) | −2,7 ∥, 38 ⟂ | 1.2 | 2,7 | −1,5 ∥, 25 ⟂ | 0,8 | |
Bandgap (eV) | 5,05 | 5.2 | 6.4 | 4.5–5.5 | 0 | 5.5 |
Índice de refracción | 1,7 | 1.8 | 2.1 | 2,05 | 2.4 | |
Susceptibilidad magnética (µemu / g) [6] | −0,48 ∥, −17,3 ⟂ | −0,2 ...− 2,7 ∥, −20 ...− 28 ⟂ | −1,6 |
Fuentes: BN amorfo, [7] [8] [9] BN cristalino, [10] [11] grafito, [12] diamante . [11]
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 da como resultado una mayor dureza de h-BN en relación con el grafito. La deslocalización de electrones reducida en BN hexagonal también está indicada por su ausencia de color y una gran banda prohibida . Uniones muy diferentes, covalentes fuertes dentro de los planos basales (planos donde los átomos de boro y nitrógeno están unidos covalentemente) y débiles entre ellos, provocan una alta anisotropía de la mayoría de las propiedades de h-BN.
Por ejemplo, la dureza, la conductividad eléctrica y térmica son mucho más altas dentro de los planos que perpendiculares a ellos. Por el contrario, las propiedades de c-BN y w-BN son más homogéneas e isotrópicas.
Estos materiales son extremadamente duros, siendo la dureza del c-BN a granel un poco más pequeña y la del w-BN incluso más alta que la del diamante. [13] 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. [14] Debido a una estabilidad mucho mejor al calor y los metales de transición, el c-BN supera al diamante en aplicaciones mecánicas, como el mecanizado de acero. [15] La conductividad térmica de 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 si se dopa conjuntamente con carbono y nitrógeno. [10] Tanto el BN hexagonal como el cúbico son semiconductores de amplio intervalo con una energía de intervalo de banda correspondiente a la región UV. Si se aplica voltaje a h-BN [16] [17] o c-BN, [18], entonces emite luz ultravioleta en el rango de 215 a 250 nm y, por lo tanto, se puede usar potencialmente como diodos emisores de luz (LED) o láseres. .
Se sabe poco sobre el comportamiento de fusión del nitruro de boro. Se sublima a 2973 ° C a presión normal liberando gas nitrógeno y boro, pero se derrite a presión elevada. [19] [20]
Estabilidad térmica
La BN hexagonal y cúbica (y probablemente w-BN) muestra una notable estabilidad química y térmica. Por ejemplo, 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 de h-BN y c-BN es relativamente similar, y los datos de c-BN se resumen en la siguiente tabla.
Sólido | Ambiente | Acción | Umbral T (° C) |
---|---|---|---|
Mes | Vacío de 10 −2 Pa | reacción | 1360 |
Ni | Vacío de 10 −2 Pa | mojar [a] | 1360 |
Fe, Ni, Co | argón | reaccionar | 1400-1500 |
Alabama | Vacío de 10 −2 Pa | humectación y reacción | 1050 |
Si | 10 −3 Pa vacío | mojada | 1500 |
Cu, Ag, Au, Ga, In, Ge, Sn | 10 −3 Pa vacío | sin mojar | 1100 |
B | sin mojar | 2200 | |
Al 2 O 3 + B 2 O 3 | Vacío de 10 −2 Pa | sin reacción | 1360 |
La estabilidad térmica de c-BN se puede resumir de la siguiente manera: [10]
- En aire u oxígeno: la capa protectora de B 2 O 3 evita una mayor oxidación hasta ~ 1300 ° C; sin conversión a forma hexagonal a 1400 ° C.
- En nitrógeno: algo de conversión a h-BN a 1525 ° C después de 12 h.
- Al vacío (10 −5 Pa ): conversión a h-BN a 1550-1600 ° C.
Estabilidad química
El nitruro de boro es insoluble en los ácidos habituales, pero es soluble en sales alcalinas fundidas y nitruros, como LiOH , KOH , NaOH - Na 2 CO 3 , NaNO 3 , Li 3 N , Mg 3 N 2 , Sr 3 N 2 , Ba 3 N 2 o Li 3 BN 2 , que por lo tanto se utilizan para grabar BN. [10]
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 experimental para el grafeno , y puede ser comparable a los cálculos teóricos del grafeno. nanocintas. [21] [22] 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. [23]
Ocurrencia natural
En 2009, se informó en el Tíbet de un mineral de nitruro de boro de origen natural en forma cúbica (c-BN) , y se propuso el nombre qingsongite . La sustancia se encontró en inclusiones dispersas de tamaño micrométrico en rocas ricas en cromo. En 2013, la Asociación Mineralógica Internacional afirmó el mineral y el nombre. [24] [25] [26] [27]
Síntesis
Preparación y reactividad de BN hexagonal
El nitruro de boro se produce sintéticamente. El nitruro de boro hexagonal se obtiene haciendo reaccionar trióxido de boro (B 2 O 3 ) o ácido bórico (H 3 BO 3 ) con amoniaco (NH 3 ) o urea (CO (NH 2 ) 2 ) en una atmósfera de nitrógeno: [28]
- 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 Ca B 6 + 10 N 2 → 20 BN + 3 CaO (T> 1500 ° C)
El nitruro de boro desordenado ( amorfo ) resultante contiene 92 a 95% de BN y 5 a 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%. Dicho recocido también cristaliza BN, aumentando el tamaño de los cristalitos con la temperatura de recocido. [15] [29]
Las piezas 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 que agregan óxido de boro para una mejor compresibilidad. Pueden obtenerse películas delgadas de nitruro de boro mediante deposición química en fase de vapor a partir de tricloruro de boro y precursores de nitrógeno. [30] La combustión de polvo de boro en plasma de nitrógeno a 5500 ° C produce nitruro de boro ultrafino que se utiliza para lubricantes y toners . [31]
El nitruro de boro reacciona con el fluoruro de yodo en el triclorofluorometano a -30 ° C para producir un explosivo de contacto extremadamente sensible , NI 3 , con bajo rendimiento. [32] El nitruro de boro reacciona con nitruros de litio, metales alcalinotérreos y lantánidos para formar compuestos de nitridoborato . [33] Por ejemplo:
- Li 3 N + BN → Li 3 BN 2
Intercalación de BN hexagonal
Al igual que el grafito, varias moléculas, como NH 3 [34] o metales alcalinos, [35] se pueden intercalar en nitruro de boro hexagonal, que se inserta entre sus capas. Tanto el experimento como la teoría sugieren que la intercalación es mucho más difícil para BN que para grafito. [36]
Preparación de BN cúbicos
La síntesis de c-BN utiliza los mismos métodos que la del diamante: el nitruro de boro cúbico se produce mediante el tratamiento del nitruro de boro hexagonal a alta presión y temperatura, de la misma forma que el diamante sintético se produce a partir del 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, que son parámetros similares a los de la conversión directa de grafito-diamante. [37] 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. Como 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 hidrazina. [38] [39] Otros métodos de síntesis industrial, nuevamente tomados del crecimiento de los diamantes, utilizan el crecimiento de cristales en un gradiente de temperatura u onda de choque explosiva . El método de ondas de choque se utiliza para producir material llamado heterodiamante , un compuesto superduro de boro, carbono y nitrógeno. [40]
Es posible la deposición a baja presión de películas delgadas de nitruro de boro cúbico. Al igual que en el crecimiento de los diamantes, el principal problema es suprimir el crecimiento de las fases hexagonales (h-BN o grafito, respectivamente). Mientras que en el crecimiento de diamantes esto se logra agregando gas hidrógeno, el trifluoruro de boro se usa para c-BN. 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 . [30]
Preparación de wurtzita BN
Wurtzite BN se puede obtener mediante métodos de choque dinámico o de alta presión estática. [41] 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 se produce a temperaturas mucho más bajas cercanas a los 1700 ° C. [38]
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 se incluyen 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 de alrededor de $ 75 / kg a $ 120 / kg para h-BN de calidad industrial estándar y estaban entre $ 200 y $ 400 / kg para grados BN de alta pureza. [28]
Aplicaciones
BN hexagonal
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) sería problemática. 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 incluso en vacío, por ejemplo, en aplicaciones espaciales. Las propiedades lubricantes de grano fino h-BN se usan en cosméticos , pinturas , cementos dentales , y lápiz clientes potenciales. [42]
El BN hexagonal se utilizó por primera vez en cosméticos alrededor de 1940 en Japón . Sin embargo, debido a su alto precio, h-BN pronto se abandonó 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 casi todos los principales productores de productos cosméticos utilizan h-BN para bases , maquillaje , sombras de ojos , coloretes, lápices kohl , lápices labiales y otros. Productos para el cuidado de la piel. [15]
Debido a su excelente estabilidad térmica y química, las cerámicas de nitruro de boro se utilizan tradicionalmente como partes de 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, por ejemplo, cojinetes y en la fabricación de acero. [15] Los plásticos llenos de BN tienen menos expansión térmica, así como una mayor conductividad térmica y resistividad eléctrica. Debido a sus excelentes propiedades dieléctricas y térmicas, BN se utiliza en electrónica, por ejemplo, como sustrato para semiconductores, ventanas transparentes a microondas y como material estructural para sellos. [43] También se puede utilizar como dieléctrico en memorias resistivas de acceso aleatorio. [44] [45]
El BN hexagonal se utiliza en procesos xerográficos e impresoras láser como una capa de barrera contra fugas de carga del tambor fotográfico. [46] En la industria automotriz, el h-BN mezclado con un aglutinante (óxido de boro) se usa para sellar sensores de oxígeno , que brindan retroalimentación para ajustar el flujo de combustible. El aglutinante utiliza la estabilidad de temperatura y las propiedades aislantes únicas de h-BN. [15]
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 usarse hasta 3000 ° C. [47]
Las nanoláminas de nitruro de boro (h-BN) se pueden depositar mediante la descomposición catalítica de la borazina a una temperatura de ~ 1100 ° C en una configuración de deposición de vapor químico , sobre áreas de hasta aproximadamente 10 cm 2 . Debido a su estructura atómica hexagonal, el pequeño desajuste de la red con el grafeno (~ 2%) y la alta uniformidad, se utilizan como sustratos para dispositivos basados en grafeno. [48] Las nanoláminas BN también son excelentes conductores 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 . [49]
El h-BN se ha utilizado desde mediados de la década de 2000 como lubricante para balas y orificios en aplicaciones de rifles de precisión como alternativa al revestimiento de disulfuro de molibdeno , comúnmente denominado "molibdeno". Se afirma que aumenta la vida útil del cañón, aumenta los intervalos entre la limpieza del orificio y reduce la desviación en el punto de impacto entre los primeros disparos del orificio limpio y los disparos posteriores. [50]
BN cúbico
El nitruro de boro cúbico (CBN o c-BN) se usa ampliamente como abrasivo . [51] 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 el mecanizado de acero, mientras que los abrasivos de diamante se prefieren para las aleaciones de aluminio, la cerámica y la piedra. Cuando entra en contacto con oxígeno a altas temperaturas, 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 de nitruro de boro cúbicos se utilizan a menudo en las brocas de las herramientas de corte . Para aplicaciones de pulido, se utilizan aglutinantes más blandos, por ejemplo, resina, cerámicas porosas y metales blandos. También se pueden utilizar aglutinantes de cerámica. Los productos comerciales se conocen con los nombres " Borazon " (por Diamond Innovations) y "Elbor" o "Cubonite" (por proveedores rusos). [42]
A diferencia del diamante, los gránulos grandes de c-BN se pueden producir en un proceso simple (llamado sinterización) de recocido de polvos de c-BN en un flujo de nitrógeno a temperaturas ligeramente por debajo de la temperatura de descomposición de BN. Esta capacidad de fusión de los polvos c-BN y h-BN permite la producción económica de piezas grandes de BN. [42]
Similar al diamante, la combinación en c-BN de la más alta conductividad térmica y resistividad eléctrica es ideal para esparcidores de calor .
Como el nitruro de boro cúbico consta de 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 pequeña absorción de rayos X y las buenas propiedades mecánicas permiten el uso de membranas delgadas, por lo tanto reduciendo aún más la absorción. [52]
BN amorfo
Se utilizan capas de nitruro de boro amorfo (a-BN) en algunos dispositivos semiconductores , por ejemplo, MOSFET . Ellos se pueden preparar por descomposición química de tricloro boracina con cesio , o por métodos químicos térmicas de deposición de vapor. La CVD térmica también se puede utilizar para la deposición de capas de h-BN o, a altas temperaturas, c-BN. [53]
Otras formas de nitruro de boro
Nitruro de boro atómicamente delgado
El nitruro de boro hexagonal se puede exfoliar en láminas de capa única o pocas capas atómicas. Debido a su estructura análoga a la del grafeno, el nitruro de boro atómicamente delgado a veces se llama "grafeno blanco". [54]
Propiedades mecánicas. El nitruro de boro atómicamente delgado es uno de los materiales aislantes eléctricamente más fuertes. El nitruro de boro monocapa tiene un módulo de Young promedio de 0,865TPa y una resistencia a la fractura de 70,5 GPa y, a diferencia del grafeno, cuya resistencia disminuye drásticamente con un mayor espesor, las láminas de nitruro de boro de pocas capas tienen una resistencia similar a la del nitruro de boro monocapa. [55]
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 el espesor reducido debido a un menor acoplamiento intracapa. [56]
Estabilidad térmica. La estabilidad al aire del grafeno 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 800 ° C. [57] 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 sostener hasta 850 ° C en el aire; Las nanoláminas de nitruro de boro bicapa y tricapa tienen temperaturas de inicio de oxidación ligeramente más altas. [58] La excelente estabilidad térmica, la alta impermeabilidad a los gases y líquidos y el aislamiento eléctrico hacen que los materiales de recubrimiento de nitruro de boro atómicamente delgados puedan prevenir la oxidación y corrosión de la superficie de los metales [59] [60] y otros materiales bidimensionales (2D), como el fósforo negro . [61]
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. [62] Según estudios teóricos y experimentales, el nitruro de boro atómicamente delgado como adsorbente experimenta cambios conformacionales en la superficie de adsorción de moléculas, aumentando la energía de adsorción y la eficiencia. El efecto sinérgico del espesor atómico, alta flexibilidad, mayor capacidad de adsorción de superficie, aislamiento eléctrico, impermeabilidad, alta estabilidad térmica y química de las nanoláminas BN pueden aumentar la sensibilidad Raman hasta en dos órdenes y, mientras tanto, lograr estabilidad a largo plazo y Reutilización extraordinaria que no se puede lograr con otros materiales. [63] [64]
Propiedades dielectricas. 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), el cribado del campo eléctrico en nitruro de boro atómicamente delgado muestra una dependencia débil del espesor, que está en línea con la suave desintegración del campo eléctrico dentro del nitruro de boro de pocas capas revelado por los primeros principios. cálculos. [57]
Características 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. [65] y Li et al. [58] Sin embargo, los dos resultados Raman informados de nitruro de boro monocapa no coincidían entre sí. Cai et al., Por lo tanto, realizaron estudios experimentales y teóricos sistemáticos para revelar el espectro Raman intrínseco del nitruro de boro atómicamente delgado. [66] 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 de nitruro de boro atómicamente delgado se puede usar para estimar el espesor de la capa y la calidad de la muestra.
Nanomaesca de nitruro de boro
La nanomola de nitruro de boro es un material bidimensional nanoestructurado. Consiste en una sola capa de BN, que forma por autoensamblaje una malla muy regular después de la exposición a alta temperatura de una superficie limpia de rodio [68] o rutenio [69] a borazina bajo vacío ultra alto . La nanomastilla 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. [70]
La nanomola de nitruro de boro no solo es estable a la descomposición al vacío, [68] aire [71] y algunos líquidos, [72] [73], sino también hasta temperaturas de 800 ° C. [68] Además, muestra la extraordinaria capacidad de atrapar moléculas [72] y racimos metálicos [69] que tienen tamaños similares a los poros nanomáscaras, formando una matriz bien ordenada. Estas características prometen aplicaciones interesantes de la nanomarca en áreas como catálisis, funcionalización de superficies , espintrónica , computación cuántica y medios de almacenamiento de datos como discos duros . [74]
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 tesis (Dolan) y luego 1993 Science. El trabajo de 1989 fue también la primera preparación de BN amorfo por B-tricloroborazina y cesio metálico.
Los nanotubos de nitruro de boro se predijeron en 1994 [76] y se descubrieron experimentalmente en 1995. [77] Se pueden imaginar como una hoja 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 BN son muy diferentes: mientras que los nanotubos de carbono pueden ser metálicos o semiconductores según la dirección y el radio de rodadura, un nanotubo BN es un aislante eléctrico con una banda prohibida de ~ 5,5 eV, básicamente independiente de la quiralidad y morfología del tubo. [78] Además, una estructura de BN en capas es mucho más estable térmica y químicamente que una estructura de carbono grafítico. [79] [80]
Aerogel de nitruro de boro
El aerogel de nitruro de boro es un aerogel hecho de BN muy poroso. Por lo general, consta de una mezcla de nanotubos BN deformados y nanohojas . Puede tener una densidad tan baja como 0,6 mg / cm 3 y un área superficial 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 hidrófobos 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 las llamas. Los aerogeles de BN se pueden preparar mediante deposición de vapor químico asistida por plantilla utilizando borazina como gas de alimentación. [67]
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 propósito, se añade BN también a las cerámicas de nitruro de silicio- alúmina y nitruro de titanio - alúmina . Otros materiales que se refuerzan con BN incluyen alúmina y zirconia , vidrios de borosilicato , cerámica de vidrio , esmaltes y cerámica compuesta 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. [81]
Problemas de salud
Se informa que el nitruro de boro (junto con Si 3 N 4 , NbN y BNC) muestra una actividad fibrogénica débil y causa neumoconiosis cuando se inhala en forma de partículas. La concentración máxima recomendada para nitruros de no metales es de 10 mg / m 3 para BN y 4 para AlN o ZrN. [10]
Ver también
- Nitruro de carbono beta
- Subóxido de boro
- Materiales superduros
- Semiconductores de banda ancha
Notas
- ^ Aquí, la humectación se refiere a la capacidad de un metal fundido de mantenerse en contacto con BN sólido
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enlaces externos
- Inventario Nacional de Contaminantes: Boro y Compuestos
- Ficha de datos de seguridad de materiales en la Universidad de Oxford
NH 3 N 2 H 4 | Él (N 2 ) 11 | ||||||||||||||||
Li 3 N | Ser 3 N 2 | BN | β-C 3 N 4 g-C 3 N 4 C x N y | N 2 | N x O y | NF 3 | Nordeste | ||||||||||
Na 3 N | Mg 3 N 2 | AlN | Si 3 N 4 | PN P 3 N 5 | S x N y SN S 4 N 4 | NCl 3 | Arkansas | ||||||||||
K 3 N | Ca 3 N 2 | ScN | Estaño | VN | CrN Cr 2 N | Mn x N y | Fe x N y | Estafa | Ni 3 N | CuN | Zn 3 N 2 | GaN | Ge 3 N 4 | Como | Se | NBr 3 | Kr |
Rb | Sr 3 N 2 | YN | ZrN | NbN | β-Mo 2 N | Tc | Ru | Rh | PdN | Ag 3 N | CdN | Posada | Sn | Sb | Te | NI 3 | Xe |
Cs | Ba 3 N 2 | Hf 3 N 4 | Broncearse | WN | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg 3 N 2 | TlN | Pb | Compartimiento | Correos | A | Rn | |
P. | Ra 3 N 2 | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Monte | Ds | Rg | Cn | Nueva Hampshire | Florida | Mc | Lv | Ts | Og | |
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La | CeN | Pr | Dakota del Norte | Pm | Sm | UE | GdN | Tuberculosis | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | |||
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