Assim como o carbono constitui o núcleo frágil de um lápis nº 2 e o diamante mais duro que o aço em uma ferramenta de corte, o nitreto de boro dá origem a compostos que podem ser macios ou duros. No entanto, ao contrário do carbono, sabe-se muito menos sobre as formas do nitreto de boro e as suas respostas às mudanças de temperatura e pressão.



Cientistas da Rice University misturaram nitreto de boro hexagonal - uma variedade macia também conhecida como "grafite branca" - com nitreto cúbico de boro - um material que perde para o diamante em dureza - e descobriram que o nanocompósito resultante interagia com a luz e o calor de maneiras inesperadas que poderiam ser úteis em microchips de próxima geração, dispositivos quânticos e outras aplicações de tecnologia avançada.

"O nitreto de boro hexagonal é amplamente utilizado em uma variedade de produtos, como revestimentos, lubrificantes e cosméticos", disse Abhijit Biswas, cientista pesquisador e principal autor de um estudo sobre a pesquisa publicado na Nano Letters . “É bastante macio e é um ótimo lubrificante, além de muito leve. Também é barato e muito estável à temperatura ambiente e sob pressão atmosférica.

"O nitreto cúbico de boro também é um material muito interessante, com propriedades que o tornam muito promissor para uso em eletrônica. Ao contrário do nitreto de boro hexagonal, é superduro - na verdade, tem dureza próxima da do diamante."

O composto destes dois materiais aparentemente opostos superou os seus materiais originais em diferentes funcionalidades.

“Descobrimos que o compósito tinha baixa condutividade térmica, o que significa que poderia servir como material isolante térmico em dispositivos eletrônicos, por exemplo”, disse Biswas. "As propriedades térmicas e ópticas do material misturado são muito diferentes da média das duas variedades de nitreto de boro."

Hanyu Zhu, um dos autores correspondentes do estudo, disse esperar que “a propriedade óptica que medimos, chamada geração de segundo harmônico, seria pequena para este tipo de material desordenado.

"Mas na verdade acaba sendo muito grande após o aquecimento, uma ordem de magnitude maior do que o material individual e a mistura não tratada, "disse Zhu, presidente da William Marsh Rice e professor assistente de ciência de materiais e nanoengenharia.

Ele disse que os átomos de boro e nitrogênio no composto apresentaram maior regularidade e formaram grãos maiores, onde um grão designa o tamanho de um grupo de átomos alinhados coerentemente em uma rede.

"Ficamos surpresos ao descobrir que os grãos cúbicos de nitreto de boro crescem em vez de diminuir neste material a partir dos pequenos grãos nos compostos iniciais não misturados", disse ele.

Previsões teóricas e resultados experimentais produziram afirmações concorrentes sobre qual das duas variedades de nitreto de boro era a mais estável:

“Alguns teóricos dizem que, em condições ambientais, o nitreto cúbico de boro é mais estável”, disse Biswas. "Experimentalmente, as pessoas viram que o nitreto de boro hexagonal é muito estável. Então, se você perguntar a alguém qual fase do nitreto de boro é a mais estável, provavelmente dirão nitreto de boro hexagonal. O que estamos vendo experimentalmente é o oposto do que as pessoas estão vendo. dizendo em termos de teoria, e ainda está em debate."

Quando o compósito foi submetido a uma técnica rápida e de alta temperatura conhecida como sinterização por plasma spark, ele se transformou em nitreto de boro hexagonal. Biswas disse que isso confirmou as previsões teóricas e ajudou a traçar um quadro mais completo de "quais variedades de nitretos de boro aparecem em quais condições".

Além disso, o nitreto de boro hexagonal obtido após este tratamento era de qualidade superior ao inicialmente utilizado para a mistura.

"O que veremos a seguir é se a técnica de sinterização por plasma spark melhora a qualidade do nitreto de boro hexagonal por si só, ou se você precisa do compósito para obter esse efeito", disse Biswas.

"O que é fascinante neste estudo é que ele abre possibilidades para adaptar materiais de nitreto de boro com as quantidades certas de estruturas hexagonais e cúbicas, permitindo assim uma ampla gama de propriedades mecânicas, térmicas, elétricas e ópticas personalizadas neste material", disse Pulickel. Ajayan, autor correspondente do estudo e presidente do Departamento de Ciência de Materiais e Nanoengenharia de Rice. Ajayan é professor de engenharia Benjamin M. e Mary Greenwood Anderson e professor de ciência de materiais e nanoengenharia, química e engenharia química e biomolecular.

Mais informações: Abhijit Biswas et al, Estabilidade de Fase de Nanocompósitos de Nitreto de Boro Hexagonal/Cúbico, Nano Letras (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01537
Informações do diário: Nanoletras

Fornecido pela Rice University