Bornitrid-baserede nanokompositter har uventede egenskaber, opdager forskere

Ligesom kulstof udgør både den sprøde kerne af en blyant nr. 2 og diamanten, der er hårdere end stål i et skæreværktøj, giver bornitrid anledning til forbindelser, der kan være bløde eller hårde. Men i modsætning til kulstof er der langt mindre kendt om bornitrids former og deres reaktioner på skiftende temperaturer og tryk.

Rice University-forskere blandede hexagonal bornitrid - en blød variant også kendt som "hvid grafit" - med kubisk bornitrid - et materiale næst efter diamant i hårdhed - og fandt ud af, at den resulterende nanokomposit interagerede med lys og varme på uventede måder, der kunne være nyttige i næste generations mikrochips, kvanteenheder og andre avancerede teknologiapplikationer.

"Hexagonal bornitrid er meget udbredt i en række produkter, såsom belægninger, smøremidler og kosmetik," sagde Abhijit Biswas, en forsker, der er hovedforfatter af en undersøgelse om forskningen offentliggjort i Nano Letters . "Det er ret blødt, og det er et fantastisk smøremiddel og meget let. Det er også billigt og meget stabilt ved stuetemperatur og under atmosfærisk tryk.

"Kubisk bornitrid er også et meget interessant materiale med egenskaber, der gør det meget lovende til brug i elektronik. I modsætning til sekskantet bornitrid er det superhårdt - det er faktisk tæt på diamant i hårdhed."

Sammensætningen af ​​disse to tilsyneladende modsatte materialer udkonkurrerede sine modermaterialer i forskellige funktionaliteter.

"Vi fandt ud af, at kompositten havde lav termisk ledningsevne, hvilket betyder, at den kan fungere som et varmeisolerende materiale i elektroniske enheder, for eksempel," sagde Biswas. "De termiske og optiske egenskaber af det blandede materiale er meget forskellige fra gennemsnittet af de to bornitridvarianter."

Hanyu Zhu, en af ​​de tilsvarende forfattere på undersøgelsen, sagde, at han forventede, at "den optiske egenskab, vi måler kaldet anden harmonisk generation, ville være lille for denne type uordnet materiale."

"Men det viser sig faktisk at være ret stort efter opvarmning, en størrelsesorden mere end både det enkelte materiale og den ubehandlede blanding," sagde Zhu, William Marsh Rice Chair og assisterende professor i materialevidenskab og nanoteknik.

Han sagde, at bor- og nitrogenatomerne i kompositmaterialet udviste større regelmæssighed og dannede større korn, hvor et korn angiver størrelsen af ​​en gruppe atomer, der er justeret sammenhængende i et gitter.

"Vi var overraskede over at opdage, at de kubiske bornitridkorn vokser i stedet for at aftage i dette materiale fra de små korn i de ublandede udgangsforbindelser," sagde han.

Teoretiske forudsigelser og eksperimentelle resultater gav konkurrerende påstande om, hvilken af ​​de to bornitridvarianter der var den mest stabile:

"Nogle teoretikere siger, at under omgivende forhold er kubisk bornitrid mere stabil," sagde Biswas. "Eksperimentelt har folk set, at hexagonalt bornitrid er meget stabilt. Så hvis du spørger nogen, hvilken bornitridfase er den mest stabile, vil de sandsynligvis sige hexagonal bornitrid. Det, vi ser eksperimentelt, er det modsatte af, hvad folk er siger teorimæssigt, og det er stadig til debat."

Når kompositten blev udsat for en hurtig højtemperaturteknik kendt som gnistplasmasintring, blev den omdannet til sekskantet bornitrid. Biswas sagde, at dette bekræftede teoretiske forudsigelser og hjalp med at tegne et mere fuldstændigt billede af "hvilke varianter af bornitrider, der optræder under hvilke forhold."

Desuden var det hexagonale bornitrid opnået efter denne behandling af en højere kvalitet end den, der oprindeligt blev brugt til blandingen.

"Det, vi vil se på næste gang, er, om gnistplasmasintringsteknikken forbedrer kvaliteten af ​​hexagonalt bornitrid alene, eller om du har brug for kompositten for at opnå den effekt," sagde Biswas.

"Det fascinerende ved denne undersøgelse er, at det åbner muligheder for at skræddersy bornitridmaterialer med de rigtige mængder hexagonale og kubiske strukturer, og dermed muliggøre en bred vifte af skræddersyede mekaniske, termiske, elektriske og optiske egenskaber i dette materiale," sagde Pulickel. Ajayan, en tilsvarende forfatter på studiet og formand for Rice's Department of Materials Science and Nanoengineering. Ajayan er Benjamin M. og Mary Greenwood Anderson professor i ingeniørvidenskab og professor i materialevidenskab og nanoteknik, kemi og kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab.

Flere oplysninger: Abhijit Biswas et al., Phase Stability of Hexagonal/Cubic Boron Nitride Nanocomposites, Nano Letters (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01537

Journaloplysninger: Nanobreve

Leveret af Rice University