El compuesto de nitruro de boro del laboratorio Rice podría ser útil para aplicaciones de tecnología avanzada

Así como el carbono constituye tanto el frágil núcleo de un lápiz número 2 como el diamante, más duro que el acero, de una herramienta de corte, el nitruro de boro da lugar a compuestos que pueden ser blandos o duros. Sin embargo, a diferencia del carbono, se sabe mucho menos sobre las formas del nitruro de boro y sus respuestas a los cambios de temperatura y presión.

Científicos de la Universidad Rice mezclaron nitruro de boro hexagonal (una variedad blanda también conocida como “grafito blanco”) con nitruro de boro cúbico (un material segundo en dureza después del diamante) y descubrieron que el nanocompuesto resultante interactuaba con la luz y el calor de maneras inesperadas que podrían ser útiles. en microchips de próxima generación, dispositivos cuánticos y otras aplicaciones de tecnología avanzada.

"El nitruro de boro hexagonal se usa ampliamente en una variedad de productos, como recubrimientos, lubricantes y cosméticos", dijo Abhijit Biswas, científico investigador y autor principal de un estudio sobre la investigación publicado en Nano Letters. “Es bastante suave, un gran lubricante y muy liviano. También es barato y muy estable a temperatura ambiente y bajo presión atmosférica.

“El nitruro de boro cúbico también es un material muy interesante, con propiedades que lo hacen muy prometedor para su uso en electrónica. A diferencia del nitruro de boro hexagonal, es súper duro; de hecho, tiene una dureza cercana a la del diamante”.

El compuesto de estos dos materiales aparentemente opuestos superó a sus materiales originales en diferentes funcionalidades.

"Descubrimos que el compuesto tenía una baja conductividad térmica, lo que significa que podría servir como material aislante del calor en dispositivos electrónicos, por ejemplo", dijo Biswas. "Las propiedades térmicas y ópticas del material mezclado son muy diferentes de la media de las dos variedades de nitruro de boro".

Hanyu Zhu, uno de los autores correspondientes del estudio, dijo que esperaba que “la propiedad óptica que medimos, llamada generación del segundo armónico, fuera pequeña para este tipo de material desordenado.

"Pero en realidad resulta ser bastante grande después del calentamiento, un orden de magnitud más que el material individual y la mezcla sin tratar".

Dijo que los átomos de boro y nitrógeno en el compuesto mostraron una mayor regularidad y formaron granos más grandes, donde un grano designa el tamaño de un grupo de átomos alineados coherentemente en una red.

"Nos sorprendió descubrir que los granos de nitruro de boro cúbico crecen en lugar de disminuir en este material a partir de los granos pequeños en los compuestos iniciales sin mezclar", dijo Zhu, catedrático William Marsh Rice y profesor asistente de ciencia de materiales y nanoingeniería.

Las predicciones teóricas y los resultados experimentales generaron afirmaciones contradictorias sobre cuál de las dos variedades de nitruro de boro era la más estable:

"Algunos teóricos dicen que, en condiciones ambientales, el nitruro de boro cúbico es más estable", dijo Biswas. “Experimentalmente, la gente ha visto que el nitruro de boro hexagonal es muy estable. Entonces, si le preguntas a alguien qué fase de nitruro de boro es la más estable, probablemente te dirá nitruro de boro hexagonal. Lo que estamos viendo experimentalmente es lo contrario de lo que la gente dice en términos teóricos, y todavía está en debate”.

Cuando el compuesto se sometió a una técnica rápida de alta temperatura conocida como sinterización por plasma por chispa, se transformó en nitruro de boro hexagonal. Biswas dijo que esto confirmó las predicciones teóricas y ayudó a pintar una imagen más completa de "qué variedades de nitruros de boro aparecen en qué condiciones".

Además, el nitruro de boro hexagonal obtenido tras este tratamiento era de mayor calidad que el utilizado inicialmente para la mezcla.

"Lo que veremos a continuación es si la técnica de sinterización por plasma por chispa mejora la calidad del nitruro de boro hexagonal por sí sola, o si se necesita el compuesto para lograr ese efecto", dijo Biswas.

"Lo fascinante de este estudio es que abre posibilidades para adaptar materiales de nitruro de boro con las cantidades adecuadas de estructuras hexagonales y cúbicas, permitiendo así una amplia gama de propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y ópticas personalizadas en este material", dijo Pulickel. Ajayan, autor correspondiente del estudio y presidente del Departamento de Ciencia de Materiales y Nanoingeniería de Rice. Ajayan es profesor de ingeniería Benjamin M. y Mary Greenwood Anderson y profesor de ciencia de materiales y nanoingeniería, química e ingeniería química y biomolecular.

Zhiting Tian, ​​miembro de la facultad del Sesquicentenario Eugene A. Leinroth y profesor asociado en la Escuela Sibley de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad de Cornell, también es autor correspondiente. La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación del Ejército (W911NF-19-2-0269), la Fundación Nacional de Ciencias (2005096), la Oficina de Investigaciones Navales (N00014-22-1-2357) y el Departamento de Energía (DE-SC0012311).

“Estabilidad de fase de nanocompuestos de nitruro de boro hexagonal/cúbico” | Nano letras | DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01537 Autores: Abhijit Biswas, Rui Xu, Joyce Christiansen-Salameh, Eugene Jeong, Gustavo Alvarez, Chenxi Li, Anand Puthirath, Bin Gao, Arushi Garg, Tia Gray, Harikishan Kannan, Xiang Zhang, Jacob Elkins, Tymofii Pieshkov, Robert Vajtai, A. Glen Birdwell, Mahesh Neupane, Bradford Pate, Tony Ivanov, Elias Garratt, Pengcheng Dai, Hanyu Zhu, Zhiting Tian y Pulickel Ajayanhttps://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01537

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/08/230727_Biswas_Fitlow_4401_cropped-copy.jpeg TÍTULO: Abhijit Biswas es un científico investigador en el Laboratorio de Nanomateriales de la Universidad Rice. (Foto de Jeff Fitlow/Rice University)https://news-network.rice.edu/news/files/2023/08/230727_Biswas_Fitlow_4378.jpg Muestras de nitruro de boro (Foto de Jeff Fitlow/Rice University)https://news- network.rice.edu/news/files/2023/08/Hanyu-Zhu-1.jpg TÍTULO: Hanyu Zhu (Foto de Jeff Fitlow/Rice University)https://news-network.rice.edu/news/files/ 2023/08/210707_Ajayan_Fitlow_116-68-1.jpg TÍTULO: Pulickel Ajayan (Foto de Jeff Fitlow/Universidad de Rice)

El descubrimiento puede conducir a la tecnología de terahercios para la detección cuántica: https://news.rice.edu/news/2023/discovery-may-lead-terahertz-technology-quantum-sensing Los límites 2D podrían crear electricidad: https://news.rice .edu/news/2022/2d-boundaries-could-create-electricity Explicación de la fricción ultrabaja del magneteno: https://news.rice.edu/news/2021/magnetenes-ultra-low-friction-explained

Laboratorio de Ajayan: https://ajayan.rice.edu Laboratorio de Zhu: https://zhugroup.rice.edu/

Departamento de Ciencia de Materiales y NanoIngeniería: https://msne.rice.edu

Escuela de Ingeniería George R. Brown: https://engineering.rice.edu

Ubicada en un campus boscoso de 300 acres en Houston, la Universidad Rice está constantemente clasificada entre las 20 mejores universidades del país según US News & World Report. Rice cuenta con escuelas muy respetadas de Arquitectura, Negocios, Estudios Continuos, Ingeniería, Humanidades, Música, Ciencias Naturales y Ciencias Sociales y es sede del Instituto Baker de Políticas Públicas. Con 4.552 estudiantes universitarios y 3.998 estudiantes de posgrado, la proporción de estudiantes universitarios por docente de Rice es de poco menos de 6 a 1. Su sistema de colegios residenciales construye comunidades muy unidas y amistades para toda la vida, solo una de las razones por las que Rice ocupa el puesto número 1 por su gran interacción entre raza y clase y el número 4 por calidad de vida según Princeton Review. Rice también está calificada como la de mejor valor entre las universidades privadas por Kiplinger's Personal Finance.