I kemi är struktur allt. Föreningar med samma kemiska formel kan ha olika egenskaper beroende på arrangemanget av molekylerna de är gjorda av. Och föreningar med en annan kemisk formel men ett liknande molekylarrangemang kan ha liknande egenskaper.
Grafen och en form av bornitrid som kallas hexagonal bornitrid tillhör den senare gruppen. Grafen består av kolatomer. Bornitrid, BN, är sammansatt av bor- och kväveatomer. Även om deras kemiska formler skiljer sig åt, har de en liknande struktur – så lika att många kemister kallar sexkantig bornitrid för "vit grafen."
Kolbaserad grafen har många användbara egenskaper. Den är tunn men stark och leder värme och elektricitet mycket bra, vilket gör den idealisk för användning inom elektronik.
På liknande sätt har hexagonal bornitrid en mängd egenskaper som liknar grafen som kan förbättra biomedicinsk avbildning och läkemedelsleverans, såväl som datorer, smartphones och lysdioder. Forskare har studerat denna typ av bornitrid i många år.
Men hexagonal bornitrid är inte den enda användbara formen som denna förening kommer i.
Som materialingenjörer har vårt forskarteam undersökt en annan typ av bornitrid som kallas kubisk bornitrid. Vi vill veta om en kombination av egenskaperna hos hexagonal bornitrid med kubisk bornitrid kan öppna dörren till ännu mer användbara tillämpningar.
Hexagonal bornitrid är, som du kan gissa, bornitridmolekyler arrangerade i form av en platt sexhörning. Den ser bikakformad ut, som grafen. Kubisk bornitrid har en tredimensionell gitterstruktur och ser ut som en diamant på molekylär nivå.
H-BN är tunn, mjuk och används i kosmetika för att ge dem en silkeslen textur. Det smälter eller bryts inte ned ens under extrem värme, vilket också gör det användbart i elektronik och andra applikationer. Vissa forskare förutspår att den kan användas för att bygga en strålningssköld för rymdfarkoster.
C-BN är hårt och motståndskraftigt. Den används i tillverkningen för att göra skärverktyg och borrar, och den kan hålla sin skarpa egg även vid höga temperaturer. Det kan också hjälpa till att avleda värme i elektroniken.
Även om h-BN och c-BN kan verka olika, när de sätts ihop, har vår forskning funnit att de har ännu mer potential än var och en för sig.
Båda typerna av bornitrid leder värme och kan ge elektrisk isolering, men den ena, h-BN, är mjuk och den andra, c-BN, är hård. Så vi ville se om de kunde användas tillsammans för att skapa material med intressanta egenskaper.
Till exempel kan en kombination av deras olika beteenden göra ett beläggningsmaterial effektivt för högtemperaturstrukturella tillämpningar. C-BN skulle kunna ge stark vidhäftning till en yta, medan h-BN:s smörjande egenskaper skulle kunna motstå slitage. Båda tillsammans skulle förhindra att materialet överhettas.
Denna klass av material förekommer inte naturligt, så forskare måste göra det i labbet. I allmänhet har högkvalitativt c-BN varit svårt att syntetisera, medan h-BN är relativt lättare att göra som högkvalitativa filmer, med hjälp av så kallade ångfasdepositionsmetoder.
I ångfasdeposition värmer vi upp bor och kvävehaltiga material tills de avdunstar. De förångade molekylerna avsätts sedan på en yta, kyls ner, binder samman och bildar en tunn film av BN.
Vårt forskarteam har arbetat med att kombinera h-BN och c-BN med liknande processer som ångfasavsättning, men vi kan också blanda pulver av de två tillsammans. Tanken är att bygga ett material med rätt blandning av h-BN och c-BN för termiska, mekaniska och elektroniska egenskaper som vi kan finjustera.
Vårt team har funnit att det sammansatta ämnet som framställs genom att kombinera båda formerna av BN tillsammans har en mängd potentiella tillämpningar. När du riktar en laserstråle mot ämnet blinkar det starkt. Forskare kan använda den här egenskapen för att skapa bildskärmar och förbättra strålbehandlingar inom det medicinska området.
Vi har också funnit att vi kan skräddarsy hur värmeledande kompositmaterialet är. Detta innebär att ingenjörer kan använda denna BN-komposit i maskiner som hanterar värme. Nästa steg är att försöka tillverka stora plattor gjorda av en h-BN- och c-BN-komposit. Om det görs exakt kan vi skräddarsy de mekaniska, termiska och optiska egenskaperna för specifika applikationer.
Inom elektronik kan h-BN fungera som en dielektrikum - eller isolator - vid sidan av grafen i viss elektronik med låg effekt. Som ett dielektrikum skulle h-BN hjälpa elektroniken att fungera effektivt och hålla sin laddning.
C-BN skulle kunna arbeta tillsammans med diamant för att skapa material med ultrabred bandgap som gör att elektroniska enheter kan arbeta med mycket högre effekt. Diamond och c-BN leder båda värmen bra, och tillsammans kan de hjälpa till att kyla ned dessa kraftfulla enheter, som genererar mycket extra värme.
H-BN och c-BN var för sig kan leda till elektronik som presterar exceptionellt bra i olika sammanhang – tillsammans har de en mängd potentiella tillämpningar också.
Vår BN-komposit kan förbättra värmespridare och isolatorer, och den kan fungera i energilagringsmaskiner som superkondensatorer, som är snabbladdande energilagringsenheter, och laddningsbara batterier.
Vi kommer att fortsätta studera BN:s egenskaper och hur vi kan använda det i smörjmedel, beläggningar och slitstarka ytor. Att utveckla sätt att skala upp produktionen kommer att vara nyckeln för att utforska dess tillämpningar, från materialvetenskap till elektronik och till och med miljövetenskap.
Journalinformation: Nanobokstäver
Tillhandahålls av The Conversation
Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln. 
