Atomicamente sottile, Il nitruro di boro esagonale 2-D (h-BN) è un materiale promettente la cui capacità proteiforme di subire trasformazioni di fase in forte, ultraleggero, chimicamente stabile, film resistenti all'ossidazione li rende ideali per rivestimenti protettivi, applicazioni termiche nanotecnologiche, emettitori di luce UV profonda, e altro ancora.

Le possibilità incarnate in diversi politipi di h-BN includono la fase di diamante ultra-duro, una struttura cubica (c-BN) con resistenza e durezza seconda solo ai veri diamanti di carbonio. La chiave per fabbricare tali materiali è la capacità di indurre e controllare la trasformazione tra le loro varie fasi cristalline, in modo sufficientemente efficiente ed economico da consentire economie di scala.

Sebbene la sintesi di tali materiali nelle loro configurazioni "sfuse" o 3-D richieda una pressione e un calore immensi, ricercatori della NYU Tandon School of Engineering hanno scoperto che h-BN in strati, fogli 2-D sottili come molecole possono passare in fase a c-BN a temperatura ambiente.

In un nuovo studio, un team guidato da Elisa Riedo, Professore di Ingegneria Chimica e Biomolecolare alla NYU Tandon, e in collaborazione con Remi Dingreville presso il Center for Nanotechnologies presso i Sandia National Laboratories, prodotto esperimenti e simulazioni utilizzando una punta nanoscopica che comprime atomicamente sottile, strati 2-D h-BN per rivelare come avvengono queste transizioni di fase a temperatura ambiente e come ottimizzarle, in parte variando il numero di strati nel film sottile di h-BN.

La ricerca, "Formazione indotta dalla pressione e proprietà meccaniche del nitruro di boro diamante 2-D, " i cui autori includono Angelo Bongiorno, Professore di Chimica presso la City University di New York; Filippo Cellini, ex post-doc nel PicoForce Lab di Riedo alla NYU Tandon; Elton Chen dei Sandia National Labs; Ryan L. Hartman, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare alla NYU Tandon; e Francesco Lavini e Filip Popovic, dottorato di ricerca studenti del laboratorio di Riedo, appare come la storia di copertina nel Volume 8, Numero 2 della rivista Scienze avanzate .

"Quando BN è in fase di diamante, durezza e rigidità aumentano notevolmente, ed è, infatti, duro quasi quanto un diamante di carbonio tradizionale con una stabilità termica e chimica migliorata, " disse Riedo, "Ma normalmente non può essere trovato in natura. La formazione del nitruro di boro cubico deve essere eseguita in un laboratorio. Quindi abbiamo deciso di esplorare la fisica e la comprensione della transizione di fase dal nitruro di boro esagonale a quello cubico nel caso speciale di film che sono atomicamente magro."

Lavini ha spiegato che il lavoro prevedeva l'applicazione della pressione a film di h-BN atomicamente sottili con un numero di strati atomici da uno a dieci, utilizzando un microscopio a forza atomica (AFM). Per testare l'entità della transizione di fase dalla struttura cristallina esagonale a quella cubica, la sonda a punta nanoscopica AFM applica contemporaneamente la pressione e misura l'elasticità del materiale.

"Un alto grado di rigidità dimostra la transizione di fase alla struttura cristallina del diamante. Questo è fondamentale perché non era chiaro prima che la transizione di fase potesse verificarsi anche a temperatura ambiente, " ha spiegato. "Poiché l'intera fisica delle transizioni di fase è diversa in un 'universo' 2-D, stiamo scoprendo e ridefinendo alcune regole fondamentali dei materiali. In questo stato, Per esempio, la barriera energetica alla trasformazione dalla fase esagonale a quella cubica è molto più piccola."

Gli esperimenti e le simulazioni hanno anche rivelato lo spessore ottimale per ottenere la transizione al c-BN:i ricercatori non hanno osservato alcuna trasformazione di fase nei film h-BN monostrato, mentre i film a due e tre strati hanno mostrato un aumento del 50% della rigidità quando la pressione è stata applicata dalla punta nanoscopica, un proxy per la transizione di fase da h-BN a c-BN. Sopra tre strati, i ricercatori hanno osservato un grado decrescente di transizione di fase del diamante.

Attraverso le simulazioni, descritte nello studio, i collaboratori hanno anche scoperto l'eterogeneità nella transizione di fase:invece del cambiamento spontaneo in c-BN che si verifica uniformemente sotto pressione, scoprirono che i diamanti si formavano a grappoli, e ampliato. Hanno anche osservato che maggiore è il numero di strati di h-BN, minore è il numero di grappoli di diamanti.

Riedo ha spiegato che i vantaggi dei diamanti 2-D BN rispetto al diamante 2-D al carbonio (noto anche come diamene) sono l'adattabilità e le potenziali economie di fabbricazione. "Recentemente abbiamo scoperto che è possibile indurre la formazione di diamene dal grafene, però, sono richiesti tipi specifici di substrati o prodotti chimici, mentre h-BN può formare diamanti su qualsiasi substrato nell'atmosfera ambientale. Generalmente, è davvero entusiasmante la scoperta di nuove eccezionali proprietà nelle fasi di diamante indotte dalla pressione in materiali 2-D", ha affermato.

Riedo ha affermato che la prossima fase riguarderà la ricerca applicata, con esperimenti più su larga scala sulla resistenza meccanica per applicazioni specifiche.