Un po' di hBN in ceramica potrebbe conferire loro proprietà eccezionali, secondo uno scienziato della Rice University.

Rouzbeh Shahsavari, un assistente professore di ingegneria civile e ambientale, ha suggerito che l'incorporazione di fogli ultrasottili di nitruro di boro esagonale (hBN) tra strati di silicati di calcio renderebbe un interessante cristallo a doppio strato con proprietà multifunzionali. Questi potrebbero essere adatti per materiali da costruzione e refrattari e applicazioni nell'industria nucleare, olio e gas, aerospaziale e altre aree che richiedono compositi ad alte prestazioni.

La combinazione dei materiali renderebbe una ceramica non solo dura e durevole, ma resistente al calore e alle radiazioni. Secondo i calcoli di Shahsavari, i silicati di calcio con strati inseriti di hBN bidimensionale potrebbero essere sufficientemente induriti da fungere da schermatura in applicazioni nucleari come le centrali elettriche.

La ricerca appare sulla rivista American Chemical Society Materiali e interfacce applicati ACS .

L'hBN bidimensionale è soprannominato grafene bianco e sembra grafene dall'alto, con esagoni collegati che formano un piano ultrasottile. Ma l'hBN differisce dal grafene in quanto consiste nell'alternanza di boro e azoto, piuttosto che carbonio, atomi.

"Questo lavoro mostra la possibilità di rinforzo del materiale alla dimensione più piccola possibile, il piano basale della ceramica, " Ha detto Shahsavari. "Ciò si traduce in un cristallo a doppio strato in cui l'hBN è parte integrante del sistema rispetto ai tradizionali riempitivi di rinforzo che sono collegati in modo lasco al materiale ospite.

"Il nostro studio di alto livello mostra stabilità energetica e un significativo miglioramento delle proprietà grazie al legame covalente, trasferimento di carica e miscelazione orbitale tra hBN e silicati di calcio, " Egli ha detto.

La forma della ceramica studiata dal laboratorio, noto come tobermorite, tende ad autoassemblarsi in strati di calcio e ossigeno tenuti insieme da catene di silicati mentre si asciuga nel cemento indurito. Lo studio su scala molecolare di Shahsavari ha mostrato che l'hBN si mescola bene con la tobermorite, scivola negli spazi tra gli strati mentre gli atomi di boro e ossigeno si legano e piegano i fogli piatti di hBN.

Questa deformazione a fisarmonica è dovuta all'affinità chimica e al trasferimento di carica tra gli atomi di boro e la tobermorite che stabilizza il composito e gli conferisce elevata resistenza e tenacità, proprietà che di solito si bilanciano l'una con l'altra nei materiali ingegnerizzati, ha detto Shahsavari. La spiegazione sembra essere un meccanismo a due fasi che si verifica quando gli strati di hBN sono soggetti a sollecitazioni o sollecitazioni.

I modelli di Shahsavari di tobermorite e tobermorite-hBN impilati orizzontalmente hanno mostrato che il composito era tre volte più resistente e circa il 25 percento più rigido del materiale normale. L'analisi computazionale ha mostrato perché:mentre le catene di silicato nella tobermorite si guastavano quando venivano forzate a ruotare lungo i loro assi, le lastre hBN hanno alleviato la sollecitazione prima slegandosi e poi irrigidendosi.

Quando compresso, la semplice tobermorite ha mostrato una bassa resistenza allo snervamento (o modulo elastico) di circa 10 gigapascal (GPa) con una deformazione di snervamento (il punto in cui un materiale si deforma) del 7%. Il composito ha mostrato una resistenza allo snervamento di 25 GPa e una deformazione fino al 20 percento.

"Uno dei principali svantaggi delle ceramiche è che sono fragili e si frantumano a causa di forti sollecitazioni o deformazioni, " Shahsavari ha detto. "La nostra strategia supera questa limitazione, fornendo una maggiore duttilità e tenacità migliorando le proprietà di resistenza.

"Come bonus, aumenta anche la tolleranza termica e alle radiazioni del sistema, rendering di proprietà multifunzionali, " ha detto. "Queste caratteristiche sono tutte importanti per prevenire il deterioramento della ceramica e aumentarne la durata, risparmiando così energia e costi di manutenzione."

Quando il materiale è stato testato da altre angolazioni, le differenze tra la tobermorite pura e il composito erano meno pronunciate, ma in media, hBN ha migliorato significativamente le proprietà del materiale.

"Rispetto a riempitivi unidimensionali come fibre convenzionali o nanotubi di carbonio, I materiali 2-D come l'hBN sono a due lati, quindi hanno il doppio della superficie per unità di massa, "Ha detto Shahsavari. "Questo è perfetto per il rinforzo e l'adesione alla matrice circostante".

Ha detto che altri materiali 2-D come il bisolfuro di molibdeno, Il diseleniuro di niobio e il doppio idrossido stratificato possono anche essere adatti per la progettazione dal basso verso l'alto di ceramiche ad alte prestazioni e altri materiali compositi multifunzionali.