Precis som kol utgör både den spröda kärnan i en penna nr 2 och diamanten som är hårdare än stål i ett skärverktyg, ger bornitrid upphov till föreningar som kan vara mjuka eller hårda. Ändå, till skillnad från kol, är mycket mindre känt om bornitrids former och deras reaktioner på ändrade temperaturer och tryck.
Forskare från Rice University blandade hexagonal bornitrid - en mjuk variant som också kallas "vit grafit" - med kubisk bornitrid - ett material som är näst efter diamant i hårdhet - och fann att den resulterande nanokompositen interagerade med ljus och värme på oväntade sätt som kunde vara användbara i nästa generations mikrochips, kvantenheter och andra avancerade teknologiapplikationer.
"Hexagonal bornitrid används ofta i en mängd olika produkter, såsom beläggningar, smörjmedel och kosmetika", säger Abhijit Biswas, en forskare som är huvudförfattare till en studie om forskningen publicerad i Nano Letters . "Det är ganska mjukt och det är ett bra smörjmedel och väldigt lätt. Det är också billigt och mycket stabilt vid rumstemperatur och under atmosfärstryck.
"Kubisk bornitrid är också ett mycket intressant material, med egenskaper som gör det mycket lovande för användning inom elektronik. Till skillnad från hexagonal bornitrid är det superhårt – det är faktiskt nära diamant i hårdhet."
Kompositen av dessa två till synes motsatta material överträffade sina modermaterial i olika funktioner.
"Vi fann att kompositen hade låg värmeledningsförmåga, vilket innebär att den kan fungera som ett värmeisolerande material i elektroniska enheter, till exempel," sa Biswas. "De termiska och optiska egenskaperna hos det blandade materialet skiljer sig mycket från ett genomsnitt av de två bornitridvarianterna."
Hanyu Zhu, en av motsvarande författarna till studien, sa att han förväntade sig att "den optiska egenskapen vi mäter kallad andra övertonsgenerering skulle vara liten för denna typ av oordnat material.
"Men det visar sig faktiskt vara ganska stort efter uppvärmning, en storleksordning mer än både det enskilda materialet och den obehandlade blandningen", säger Zhu, William Marsh Rice Chair och biträdande professor i materialvetenskap och nanoteknik.
Han sa att bor- och kväveatomerna i kompositen visade större regelbundenhet och bildade större korn, där ett korn betecknar storleken på en grupp atomer som är sammanhängande i ett gitter.
"Vi blev förvånade över att finna att de kubiska bornitridkornen växer istället för att minska i detta material från de små kornen i de oblandade utgångsföreningarna," sa han.
Teoretiska förutsägelser och experimentella resultat gav konkurrerande påståenden om vilken av de två bornitridvarianterna som var mest stabil:
"Vissa teoretiker säger att vid omgivningsförhållanden är kubisk bornitrid mer stabil," sa Biswas. "Experimentellt har människor sett att hexagonal bornitrid är mycket stabil. Så om du frågar någon vilken bornitridfas som är den mest stabila, kommer de sannolikt att säga hexagonal bornitrid. Det vi ser experimentellt är motsatsen till vad människor är teorimässigt, och det är fortfarande uppe för debatt."
När kompositen utsattes för en snabb högtemperaturteknik känd som gnistplasmasintring omvandlades den till hexagonal bornitrid. Biswas sa att detta bekräftade teoretiska förutsägelser och hjälpte till att måla en mer fullständig bild av "vilka varianter av bornitrider som förekommer vid vilka förhållanden."
Dessutom var den hexagonala bornitrid som erhölls efter denna behandling av högre kvalitet än den som ursprungligen användes för blandningen.
"Vad vi kommer att titta på härnäst är om gnistplasmasintringstekniken förbättrar kvaliteten på hexagonal bornitrid helt på egen hand, eller om du behöver kompositen för att få den effekten," sa Biswas.
"Det som är fascinerande med den här studien är att den öppnar möjligheter att skräddarsy bornitridmaterial med rätt mängd hexagonala och kubiska strukturer, vilket möjliggör ett brett spektrum av skräddarsydda mekaniska, termiska, elektriska och optiska egenskaper i detta material", säger Pulickel. Ajayan, en motsvarande författare på studien och ordförande för Rices avdelning för materialvetenskap och nanoteknik. Ajayan är Benjamin M. och Mary Greenwood Anderson professor i teknik och professor i materialvetenskap och nanoteknik, kemi och kemisk och biomolekylär teknik.
Mer information: Abhijit Biswas et al, Phase Stability of Hexagonal/Cubic Boron Nitride Nanocomposites, Nano Letters (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01537
Journalinformation: Nanobokstäver
Tillhandahålls av Rice University
