In chimica la struttura è tutto. Composti con la stessa formula chimica possono avere proprietà diverse a seconda della disposizione delle molecole di cui sono costituiti. E i composti con una formula chimica diversa ma una disposizione molecolare simile possono avere proprietà simili.
Il grafene e una forma di nitruro di boro chiamato nitruro di boro esagonale rientrano in quest'ultimo gruppo. Il grafene è costituito da atomi di carbonio. Il nitruro di boro, BN, è composto da atomi di boro e azoto. Sebbene le loro formule chimiche differiscano, hanno una struttura simile, così simile che molti chimici chiamano il nitruro di boro esagonale "grafene bianco".
Il grafene a base di carbonio ha molte proprietà utili. È sottile ma resistente e conduce molto bene il calore e l'elettricità, il che lo rende ideale per l'uso in elettronica.
Allo stesso modo, il nitruro di boro esagonale ha una serie di proprietà simili al grafene che potrebbero migliorare l’imaging biomedico e la somministrazione di farmaci, nonché computer, smartphone e LED. I ricercatori studiano questo tipo di nitruro di boro da molti anni.
Ma il nitruro di boro esagonale non è l'unica forma utile in cui si presenta questo composto.
In qualità di ingegneri dei materiali, il nostro gruppo di ricerca ha studiato un altro tipo di nitruro di boro chiamato nitruro di boro cubico. Vogliamo sapere se la combinazione delle proprietà del nitruro di boro esagonale con il nitruro di boro cubico potrebbe aprire la porta ad applicazioni ancora più utili.
Il nitruro di boro esagonale è, come si può immaginare, molecole di nitruro di boro disposte a forma di esagono piatto. Sembra a forma di nido d'ape, come il grafene. Il nitruro di boro cubico ha una struttura reticolare tridimensionale e a livello molecolare assomiglia a un diamante.
L'H-BN è sottile, morbido e utilizzato nei cosmetici per conferire loro una consistenza setosa. Non si scioglie né si degrada nemmeno in condizioni di calore estremo, il che lo rende utile anche nell'elettronica e in altre applicazioni. Alcuni scienziati prevedono che potrebbe essere utilizzato per costruire uno scudo anti-radiazioni per i veicoli spaziali.
Il C-BN è duro e resistente. Viene utilizzato nell'industria manifatturiera per realizzare utensili da taglio e trapani e può mantenere il bordo affilato anche a temperature elevate. Può anche aiutare a dissipare il calore nei componenti elettronici.
Anche se h-BN e c-BN potrebbero sembrare diversi, messi insieme, la nostra ricerca ha scoperto che hanno un potenziale ancora maggiore rispetto a ciascuno dei due presi singolarmente.
Entrambi i tipi di nitruro di boro conducono il calore e possono fornire isolamento elettrico, ma uno, h-BN, è morbido e l'altro, c-BN, è duro. Quindi, volevamo vedere se potevano essere usati insieme per creare materiali con proprietà interessanti.
Ad esempio, la combinazione dei loro diversi comportamenti potrebbe rendere un materiale di rivestimento efficace per applicazioni strutturali ad alta temperatura. Il C-BN potrebbe fornire una forte adesione a una superficie, mentre le proprietà lubrificanti dell'h-BN potrebbero resistere all'usura. Entrambi insieme impedirebbero il surriscaldamento del materiale.
Questa classe di materiali non si trova in natura, quindi gli scienziati devono realizzarla in laboratorio. In generale, il c-BN di alta qualità è stato difficile da sintetizzare, mentre l'h-BN è relativamente più facile da realizzare come film di alta qualità, utilizzando i cosiddetti metodi di deposizione in fase vapore.
Nella deposizione in fase vapore, riscaldiamo boro e materiali contenenti azoto finché non evaporano. Le molecole evaporate vengono quindi depositate su una superficie, si raffreddano, si legano insieme e formano una sottile pellicola di BN.
Il nostro gruppo di ricerca ha lavorato sulla combinazione di h-BN e c-BN utilizzando processi simili alla deposizione in fase vapore, ma possiamo anche mescolare insieme le polveri dei due. L'idea è quella di costruire un materiale con il giusto mix di h-BN e c-BN per proprietà termiche, meccaniche ed elettroniche che possiamo mettere a punto.
Il nostro team ha scoperto che la sostanza composita ottenuta combinando insieme entrambe le forme di BN ha una varietà di potenziali applicazioni. Quando punti un raggio laser sulla sostanza, questo lampeggia intensamente. I ricercatori potrebbero utilizzare questa proprietà per creare schermi e migliorare le radioterapie in campo medico.
Abbiamo anche scoperto che possiamo personalizzare la conduttività termica del materiale composito. Ciò significa che gli ingegneri potrebbero utilizzare questo composito BN in macchine che gestiscono il calore. Il prossimo passo sarà provare a produrre piastre di grandi dimensioni costituite da un composito h-BN e c-BN. Se fatto con precisione, possiamo adattare le proprietà meccaniche, termiche e ottiche ad applicazioni specifiche.
In elettronica, h-BN potrebbe fungere da dielettrico, o isolante, insieme al grafene in alcuni dispositivi elettronici a bassa potenza. Come dielettrico, h-BN aiuterebbe i componenti elettronici a funzionare in modo efficiente e a mantenere la carica.
Il C-BN potrebbe lavorare insieme al diamante per creare materiali con band gap ultralargo che consentano ai dispositivi elettronici di funzionare a una potenza molto più elevata. Diamond e c-BN conducono entrambi bene il calore e insieme potrebbero contribuire a raffreddare questi dispositivi ad alta potenza, che generano molto calore extra.
H-BN e c-BN separatamente potrebbero portare a sistemi elettronici che funzionano eccezionalmente bene in contesti diversi; insieme, hanno anche una serie di potenziali applicazioni.
Il nostro composito BN potrebbe migliorare i diffusori di calore e gli isolanti e potrebbe funzionare in macchine per l'accumulo di energia come i supercondensatori, che sono dispositivi di accumulo di energia a carica rapida, e batterie ricaricabili.
Continueremo a studiare le proprietà del BN e come utilizzarlo in lubrificanti, rivestimenti e superfici resistenti all'usura. Sviluppare modalità per aumentare la produzione sarà fondamentale per esplorarne le applicazioni, dalla scienza dei materiali all'elettronica e persino alla scienza ambientale.
Informazioni sul giornale: Nanolettere
Fornito da The Conversation
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