Kombination af to typer molekylær bornitrid kunne skabe hybridmateriale til hurtigere og mere kraftfuld elektronik

I kemi er struktur alt. Forbindelser med samme kemiske formel kan have forskellige egenskaber afhængigt af arrangementet af de molekyler, de er lavet af. Og forbindelser med en anden kemisk formel, men et lignende molekylært arrangement, kan have lignende egenskaber.

Grafen og en form for bornitrid kaldet hexagonal bornitrid falder ind under sidstnævnte gruppe. Grafen er opbygget af kulstofatomer. Bornitrid, BN, er sammensat af bor- og nitrogenatomer. Mens deres kemiske formler er forskellige, har de en lignende struktur - så ens, at mange kemikere kalder sekskantet bornitrid "hvid grafen."

Kulstofbaseret grafen har mange nyttige egenskaber. Den er tynd, men stærk, og den leder varme og elektricitet meget godt, hvilket gør den ideel til brug i elektronik.

Tilsvarende har sekskantet bornitrid et væld af egenskaber, der ligner grafen, der kunne forbedre biomedicinsk billeddannelse og lægemiddellevering, såvel som computere, smartphones og LED'er. Forskere har undersøgt denne type bornitrid i mange år.

Men hexagonalt bornitrid er ikke den eneste nyttige form, denne forbindelse kommer i.

Som materialeingeniører har vores forskerhold undersøgt en anden type bornitrid kaldet kubisk bornitrid. Vi vil gerne vide, om en kombination af egenskaberne ved hexagonalt bornitrid med kubisk bornitrid kan åbne døren til endnu mere nyttige anvendelser.

Sekskantet versus kubisk

Hexagonal bornitrid er, som du måske kan gætte, bornitrid-molekyler arrangeret i form af en flad sekskant. Det ser bikageformet ud, som grafen. Kubisk bornitrid har en tredimensionel gitterstruktur og ligner en diamant på molekylært niveau.

H-BN er tynd, blød og bruges i kosmetik for at give dem en silkeblød tekstur. Det smelter eller nedbrydes ikke selv under ekstrem varme, hvilket også gør det anvendeligt i elektronik og andre applikationer. Nogle videnskabsmænd forudsiger, at det kunne bruges til at bygge et strålingsskjold til rumfartøjer.

C-BN er hård og modstandsdygtig. Det bruges i fremstillingen til at lave skærende værktøjer og bor, og det kan holde sin skarpe kant selv ved høje temperaturer. Det kan også hjælpe med at sprede varme i elektronik.

Selvom h-BN og c-BN kan virke forskellige, når de er sat sammen, har vores forskning fundet ud af, at de rummer endnu mere potentiale end dem hver for sig.

Begge typer bornitrid leder varme og kan give elektrisk isolering, men den ene, h-BN, er blød, og den anden, c-BN, er hård. Så vi ville se, om de kunne bruges sammen til at skabe materialer med interessante egenskaber.

For eksempel kan en kombination af deres forskellige adfærd gøre et belægningsmateriale effektivt til højtemperaturstrukturelle applikationer. C-BN kunne give stærk vedhæftning til en overflade, mens h-BNs smøreegenskaber kunne modstå slid. Begge sammen ville forhindre, at materialet overophedes.

Fremstilling af bornitrid

Denne klasse af materialer forekommer ikke naturligt, så forskerne skal lave den i laboratoriet. Generelt har c-BN af høj kvalitet været vanskelig at syntetisere, hvorimod h-BN er relativt nemmere at lave som film af høj kvalitet ved at bruge det, der kaldes dampfasedepositionsmetoder.

I dampfasedeposition opvarmer vi bor og nitrogenholdige materialer, indtil de fordamper. De fordampede molekyler aflejres derefter på en overflade, køles ned, bindes sammen og danner en tynd film af BN.

Vores forskerhold har arbejdet på at kombinere h-BN og c-BN ved hjælp af lignende processer til dampfasedeposition, men vi kan også blande pulvere af de to sammen. Ideen er at bygge et materiale med den rigtige blanding af h-BN og c-BN til termiske, mekaniske og elektroniske egenskaber, som vi kan finjustere.

Vores team har fundet ud af, at det sammensatte stof fremstillet ved at kombinere begge former for BN sammen har en række potentielle anvendelser. Når du peger en laserstråle mod stoffet, blinker det stærkt. Forskere kunne bruge denne egenskab til at skabe skærme og forbedre strålebehandlinger på det medicinske område.

Vi har også fundet ud af, at vi kan skræddersy, hvor varmeledende kompositmaterialet er. Det betyder, at ingeniører kan bruge denne BN-komposit i maskiner, der håndterer varme. Det næste trin er at forsøge at fremstille store plader lavet af en h-BN og c-BN komposit. Hvis det gøres præcist, kan vi skræddersy de mekaniske, termiske og optiske egenskaber til specifikke applikationer.

Inden for elektronik kunne h-BN fungere som et dielektrikum - eller isolator - sammen med grafen i visse elektronik med lav effekt. Som et dielektrikum ville h-BN hjælpe elektronik med at fungere effektivt og holde deres ladning.

C-BN kunne arbejde sammen med diamant for at skabe materialer med ultrabredt båndgab, der tillader elektroniske enheder at arbejde med en meget højere effekt. Diamond og c-BN leder begge varme godt, og sammen kan de hjælpe med at køle disse højeffektenheder ned, som genererer masser af ekstra varme.

H-BN og c-BN hver for sig kan føre til elektronik, der fungerer usædvanligt godt i forskellige sammenhænge – tilsammen har de også et væld af potentielle applikationer.

Vores BN-komposit kunne forbedre varmespredere og isolatorer, og det kunne fungere i energilagringsmaskiner som superkondensatorer, som er hurtigopladede energilagringsenheder, og genopladelige batterier.

Vi vil fortsætte med at studere BN's egenskaber, og hvordan vi kan bruge det i smøremidler, belægninger og slidbestandige overflader. At udvikle måder at opskalere produktion på vil være nøglen til at udforske dens applikationer, fra materialevidenskab til elektronik og endda miljøvidenskab.

Journaloplysninger: Nanobreve

Leveret af The Conversation

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.