ბორის ნიტრიდი

ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет -  

                       ბორის ნიტრიდი                                                

ბორის და აზოტის ორობითი ნაერთი. ქიმიური ფორმულა: BN. კრისტალური ბორის ნიტრიდი ნახშირბადის მიმართ იზოელექტრონულია და ნახშირბადის მსგავსად, არსებობს რამდენიმე პოლიმორფული მოდიფიკაციით.

სტრუქტურა

ბორის ნიტრიდი არსებობს მრავალი ფორმით, რომლებიც განსხვავდება ბორის და აზოტის ატომების განლაგებით, რაც იწვევს მასალის სხვადასხვა ნაყარ თვისებებს.

ამორფული ფორმა (a-BN)

ბორის ნიტრიდის ამორფული ფორმა (a-BN) არის არაკრისტალური, არ გააჩნია რაიმე შორ მანძილზე კანონზომიერება მისი ატომების მოწყობაში. ეს არის ამორფული ნახშირბადის ანალოგი.

ბორის ნიტრიდის ყველა სხვა ფორმა კრისტალურია.

ექვსკუთხა ფორმა (h-BN)

ყველაზე სტაბილური კრისტალური ფორმაა ექვსკუთხა ფორმა, რომელსაც ასევე უწოდებენ h-BN, α-BN, g-BN და გრაფიტის ბორის ნიტრიდს. ექვსკუთხა ბორის ნიტრიდს (წერტილების ჯგუფი = D6h; სივრცის ჯგუფი = P63/mmc) აქვს გრაფიტის მსგავსი ფენიანი სტრუქტურა. თითოეულ ფენაში ბორისა და აზოტის ატომები შეკრულია ძლიერი კოვალენტური ბმებით, ხოლო ფენები ერთმანეთთან არის დაკავშირებული სუსტი ვან დერ ვაალის ძალებით. თუმცა, ამ ფურცლების ფენების „რეესტრი“ განსხვავდება გრაფიტის ნიმუშისგან, რადგან ატომები დაბნელებულია, ბორის ატომები დევს აზოტის ატომებზე და ზემოთ. ეს რეესტრი ასახავს B–N ობლიგაციების ლოკალურ პოლარობას, ისევე როგორც შუალედური N-დონორი/B-აქცეპტორის მახასიათებლებს. ანალოგიურად, არსებობს მრავალი მეტასტაბილური ფორმა, რომელიც შედგება განსხვავებულად დაწყობილი პოლიტიპებისგან. მაშასადამე, h-BN და გრაფიტი ძალიან ახლო მეზობლები არიან და მასალას შეუძლია ნახშირბადის, როგორც შემცვლელი ელემენტის განთავსება BNC-ების შესაქმნელად. სინთეზირებულია BC6N ჰიბრიდები, სადაც ნახშირბადის შემცვლელია ზოგიერთი B და N ატომები.

იხ. ვიდეო - INTERESTING MATERIALS: Boron Nitride

კუბური ფორმა (c-BN)

კუბური ბორის ნიტრიდს აქვს ალმასის ანალოგიური კრისტალური სტრუქტურა. იმის მიხედვით, რომ ალმასი გრაფიტზე ნაკლებად სტაბილურია, კუბური ფორმა ნაკლებად სტაბილურია, ვიდრე ექვსკუთხა ფორმა, მაგრამ კონვერტაციის კოეფიციენტი ამ ორს შორის უმნიშვნელოა, როგორც ეს არის ალმასისთვის. კუბურ ფორმას აქვს სფალერიტის კრისტალური სტრუქტურა (სივრცის ჯგუფი = F43m), იგივე, რაც ალმასის (მოწესრიგებული B და N ატომებით) და მას ასევე უწოდებენ β-BN ან c-BN.

ვურციტის ფორმა (w-BN)

ბორის ნიტრიდის ვურციტის ფორმას (w-BN; წერტილის ჯგუფი = C6v; სივრცის ჯგუფს = P63mc) აქვს იგივე სტრუქტურა, როგორც ლონსდალეიტი, ნახშირბადის იშვიათი ექვსკუთხა პოლიმორფი. როგორც კუბურ ფორმაში, ბორის და აზოტის ატომები დაჯგუფებულია ტეტრაედებად. ვურციტის სახით ბორის და აზოტის ატომები დაჯგუფებულია 6-წევრიან რგოლებად. კუბურ ფორმაში ყველა რგოლი სავარძლის კონფიგურაციაშია, ხოლო w-BN-ში რგოლები "ფენებს" შორის არის ნავის კონფიგურაციაში. ადრე ოპტიმისტურმა მოხსენებებმა იწინასწარმეტყველა, რომ ვურციტის ფორმა ძალიან ძლიერი იყო და სიმულაციის მიხედვით შეფასდა, როგორც პოტენციურად 18%-ით უფრო ძლიერი, ვიდრე ალმასის. ვინაიდან ბუნებაში მინერალის მხოლოდ მცირე რაოდენობა არსებობს, ეს ჯერ არ არის ექსპერიმენტულად დამოწმებული.[9] მისი სიმტკიცე არის 46 GPa, ოდნავ უფრო მყარი ვიდრე კომერციული ბორიდები, მაგრამ უფრო რბილი ვიდრე ბორის ნიტრიდის კუბური ფორმა.

იხ. ვიდეო - Нитрид бора от Карбонфокс, реально ли работает, сколько грамм нужно на литр масла, проверим!

ატომურად თხელი ბორის ნიტრიდი

მთავარი სტატია: ბორის ნიტრიდის ნანოფურცელი

ექვსკუთხა ბორის ნიტრიდი შეიძლება გაიფანტოს მონო ან რამდენიმე ატომურ ფენად. გრაფენის ანალოგიური სტრუქტურის გამო, ატომურად თხელ ბორის ნიტრიდს ზოგჯერ თეთრ გრაფენს უწოდებენ.

Მექანიკური საკუთრება

ატომურად თხელი ბორის ნიტრიდი ერთ-ერთი ყველაზე ძლიერი ელექტრო საიზოლაციო მასალაა. ერთფენიანი ბორის ნიტრიდს აქვს იანგის საშუალო მოდული 0,865 TPa და გატეხვის სიძლიერე 70,5 GPa, ხოლო გრაფენისგან განსხვავებით, რომლის სიძლიერე მკვეთრად მცირდება სისქის მატებასთან ერთად, ბორის ნიტრიდის რამდენიმე ფენის ფურცლებს აქვთ ერთფენიანი ბორის ნიტრიდის სიძლიერე. 

თბოგამტარობა

ატომურად თხელ ბორის ნიტრიდს აქვს ერთ-ერთი ყველაზე მაღალი თბოგამტარობის კოეფიციენტი (851 W/mK ოთახის ტემპერატურაზე) ნახევარგამტარებსა და ელექტრო იზოლატორებს შორის და მისი თბოგამტარობა იზრდება შემცირებული სისქის გამო ნაკლები შრეშიდა შეერთების გამო.

თერმული სტაბილურობა

გრაფენის ჰაერის მდგრადობა აჩვენებს მკაფიო სისქეზე დამოკიდებულებას: ერთფენიანი გრაფენი რეაქტიულია ჟანგბადის მიმართ 250 °C ტემპერატურაზე, ძლიერად დოპირებულია 300 °C-ზე და ამოტვიფრულია 450 °C-ზე; ამის საპირისპიროდ, ნაყარი გრაფიტი არ იჟანგება 800 °C-მდე. ატომურად თხელ ბორის ნიტრიდს აქვს ბევრად უკეთესი ჟანგვის წინააღმდეგობა, ვიდრე გრაფენი. ერთფენიანი ბორის ნიტრიდი არ იჟანგება 700 °C-მდე და შეუძლია შეინარჩუნოს ჰაერში 850 °C-მდე; ორფენიანი და სამშრიანი ბორის ნიტრიდის ნანოფურცლები აქვთ ოდნავ მაღალი დაჟანგვის საწყისი ტემპერატურა. შესანიშნავი თერმული მდგრადობა, გაზისა და სითხის მიმართ მაღალი შეუღწევადობა და ელექტრული იზოლაცია ქმნის ატომურად თხელ ბორის ნიტრიდის პოტენციურ დაფარვის მასალებს ზედაპირული დაჟანგვისა და კოროზიის თავიდან ასაცილებლად ლითონების და სხვა ორგანზომილებიანი (2D) მასალების, როგორიცაა შავი. ფოსფორი.

ზედაპირის უკეთესი ადსორბცია

დადგინდა, რომ ატომურად თხელ ბორის ნიტრიდს აქვს ზედაპირის ადსორბციის უკეთესი შესაძლებლობები, ვიდრე ნაყარი ექვსკუთხა ბორის ნიტრიდს. თეორიული და ექსპერიმენტული კვლევების მიხედვით, ატომურად თხელი ბორის ნიტრიდი, როგორც ადსორბენტი, განიცდის კონფორმაციულ ცვლილებებს მოლეკულების ზედაპირული ადსორბციისას, ზრდის ადსორბციის ენერგიას და ეფექტურობას. BN ნანოფურცლების ატომური სისქის, მაღალი მოქნილობის, ზედაპირის უფრო ძლიერი ადსორბციის უნარის, ელექტრული იზოლაციის, გაუვალობის, მაღალი თერმული და ქიმიური მდგრადობის სინერგიულმა ეფექტმა შეიძლება გაზარდოს რამანის მგრძნობელობა ორჯერ, და ამასობაში მიაღწიოს გრძელვადიან სტაბილურობას და არაჩვეულებრივი ხელახალი გამოყენებადობა მიუღწეველია სხვა მასალებით.

დიელექტრიკული თვისებები

ატომურად თხელი ექვსკუთხა ბორის ნიტრიდი არის შესანიშნავი დიელექტრიკული სუბსტრატი გრაფენის, მოლიბდენის დისულფიდის (MoS2) და მრავალი სხვა 2D მასალაზე დაფუძნებული ელექტრონული და ფოტონიკური მოწყობილობებისთვის. როგორც ელექტრული ძალის მიკროსკოპის (EFM) კვლევებმა აჩვენა, ელექტრული ველის სკრინინგი ატომურად თხელ ბორის ნიტრიდში აჩვენებს სუსტ დამოკიდებულებას სისქეზე, რაც შეესაბამება ელექტრული ველის გლუვ დაშლას რამდენიმე ფენის ბორის ნიტრიდის შიგნით, რომელიც გამოვლინდა პირველი პრინციპებით. გათვლები.

რამანის მახასიათებლები

რამანის სპექტროსკოპია იყო სასარგებლო ინსტრუმენტი სხვადასხვა 2D მასალების შესასწავლად და რამანის ხელმოწერა მაღალი ხარისხის ატომურად თხელი ბორის ნიტრიდის შესახებ პირველად მოხსენებული იქნა გორბაჩოვისა და სხვების მიერ. 2011 წელს. და ლი და სხვები. თუმცა, ბორის ნიტრიდის მონოფენიანი რამანის ორი მოხსენებული შედეგი არ ეთანხმებოდა ერთმანეთს. ამიტომ, კაიმ და სხვებმა ჩაატარეს სისტემატური ექსპერიმენტული და თეორიული კვლევები ატომურად თხელი ბორის ნიტრიდის რამანის შინაგანი სპექტრის გამოსავლენად. ის ცხადყოფს, რომ ატომურად თხელ ბორის ნიტრიდს სუბსტრატთან ურთიერთქმედების გარეშე აქვს G დიაპაზონის სიხშირე, რომელიც მსგავსია ნაყარი ექვსკუთხა ბორის ნიტრიდისა, მაგრამ სუბსტრატის მიერ გამოწვეულმა დაძაბულობამ შეიძლება გამოიწვიოს რამანის ცვლა. მიუხედავად ამისა, ატომურად თხელი ბორის ნიტრიდის G ზოლის რამანის ინტენსივობა შეიძლება გამოყენებულ იქნას ფენის სისქის და ნიმუშის ხარისხის შესაფასებლად.

ზედა: ციკლოჰექსანის შეწოვა BN აეროგელით. ციკლოჰექსანი შეღებილია სუდან II წითელი საღებავით და ცურავს წყალზე. ქვედა: აეროგელის ხელახალი გამოყენება ჰაერში წვის შემდეგ.

ბორის ნიტრიდის ნანომეში არის ნანოსტრუქტურული ორგანზომილებიანი მასალა. იგი შედგება ერთი BN ფენისგან, რომელიც აყალიბებს უაღრესად რეგულარულ ბადეს თვითშეკრების შედეგად სუფთა როდიუმის ან რუთენიუმის ზედაპირის მაღალი ტემპერატურის ზემოქმედების შემდეგ ბორაზინზე ულტრა მაღალი ვაკუუმის პირობებში. ნანომეში ჰგავს ექვსკუთხა ფორების შეკრებას. მანძილი ორ ფორების ცენტრს შორის არის 3.2 ნმ, ხოლო ფორის დიამეტრი ~ 2 ნმ. ამ მასალის სხვა ტერმინებია ბორონიტრენი ან თეთრი გრაფენი.

ბორის ნიტრიდის ნანომეში სტაბილურია არა მხოლოდ ვაკუუმის, ჰაერის და ზოგიერთი სითხის ქვეშ  დაშლისთვის, არამედ 800 °C ტემპერატურამდე. გარდა ამისა, ის აჩვენებს მოლეკულების და მეტალის კლასტერების ხაფანგის არაჩვეულებრივ უნარს, რომლებსაც აქვთ ნანომეშის ფორების მსგავსი ზომები და ქმნიან კარგად მოწესრიგებულ მასივს. ეს მახასიათებლები გვპირდება ნანომეშების საინტერესო აპლიკაციებს ისეთ სფეროებში, როგორიცაა კატალიზი, ზედაპირის ფუნქციონალიზაცია, სპინტრონიკა, კვანტური გამოთვლა და მონაცემთა შენახვის მედია, როგორიცაა მყარი დისკები.

BN ნანომილები ცეცხლგამძლეა, როგორც ეს ნაჩვენებია ცელულოზის, ნახშირბადის ქაღალდისა და BN ნანომილის ქაღალდისგან დამზადებული თვითმფრინავების ამ შედარებით ტესტში.

ბორის ნიტრიდის ტუბულები პირველად 1989 წელს დამზადდა შორისა და დოლანის მიერ. ეს ნამუშევარი დაპატენტებულია 1989 წელს და გამოქვეყნდა 1989 წლის დისერტაციაში (დოლანი) და შემდეგ 1993 წელს Science. 1989 წლის ნამუშევარი ასევე იყო ამორფული BN-ის პირველი მომზადება B-ტრიქლორობორაზინისა და ცეზიუმის ლითონის მიერ.

ბორის ნიტრიდის ნანომილები იწინასწარმეტყველეს 1994 წელს და ექსპერიმენტულად აღმოაჩინეს 1995 წელს. ისინი შეიძლება წარმოვიდგინოთ, როგორც h-ბორის ნიტრიდის დახვეული ფურცელი. სტრუქტურულად, ეს არის ნახშირბადის ნანომილის ახლო ანალოგი, კერძოდ, გრძელი ცილინდრი, რომლის დიამეტრი რამდენიმე ასეულ ნანომეტრამდეა და სიგრძე მრავალი მიკრომეტრია, გარდა ნახშირბადის ატომების მონაცვლეობით ჩანაცვლებული აზოტისა და ბორის ატომებით. თუმცა, BN ნანომილების თვისებები ძალიან განსხვავებულია: მაშინ, როცა ნახშირბადის ნანომილები შეიძლება იყოს მეტალის ან ნახევარგამტარი, მოძრავი მიმართულებით და რადიუსიდან გამომდინარე, BN ნანომილაკი არის ელექტრული იზოლატორი ~5.5 eV ზოლით, ძირითადად დამოუკიდებელი მილის ქირალურობისა და მორფოლოგიისგან.  გარდა ამისა, ფენიანი BN სტრუქტურა ბევრად უფრო თერმულად და ქიმიურად სტაბილურია, ვიდრე გრაფიკული ნახშირბადის სტრუქტურა.

ბორის ნიტრიდის აეროგელი

მთავარი სტატია: ბორის ნიტრიდის აეროგელი

ბორის ნიტრიდის აეროგელი არის აეროგელი, რომელიც დამზადებულია უაღრესად ფოროვანი BN-ისგან. ის ჩვეულებრივ შედგება დეფორმირებული BN ნანომილებისა და ნანოფურცლების ნარევისგან. მას შეიძლება ჰქონდეს დაბალი სიმკვრივე 0.6 მგ/სმ3-მდე და სპეციფიკური ზედაპირის ფართობი 1050 მ2/გ-მდე და, შესაბამისად, აქვს პოტენციური გამოყენება როგორც შთამნთქმელი, კატალიზატორის საყრდენი და გაზის შესანახი საშუალება. BN აეროგელები ძალიან ჰიდროფობიურია და შეუძლიათ ზეთში 160-ჯერ მეტი წონის შეწოვა. ისინი მდგრადია ჰაერში ჟანგვის მიმართ 1200 °C-მდე ტემპერატურაზე და, შესაბამისად, მათი ხელახლა გამოყენება შესაძლებელია მას შემდეგ, რაც აბსორბირებული ზეთი დაიწვება ცეცხლით. BN აეროგელები შეიძლება მომზადდეს შაბლონის დახმარებით ქიმიური ორთქლის დეპონირებით, ბორაზინის, როგორც საკვების გაზის გამოყენებით.

BN შემცველი კომპოზიტები

ბორის ნიტრიდის დამატება სილიციუმის ნიტრიდის კერამიკაში აუმჯობესებს მიღებული მასალის თერმული შოკის წინააღმდეგობას. ამავე მიზნით, BN ემატება აგრეთვე სილიციუმის ნიტრიდ-ალუმინის და ტიტანის ნიტრიდ-ალუმინის კერამიკას. BN-ით გამაგრებული სხვა მასალებია ალუმინა და ცირკონია, ბოროსილიკატური მინები, მინის კერამიკა, მინანქარი და კომპოზიტური კერამიკა ტიტანის ბორიდ-ბორის ნიტრიდით, ტიტანის ბორიდი-ალუმინის ნიტრიდ-ბორის ნიტრიდი და სილიციუმის კარბიდი-ბორის ნიტრიდის შემადგენლობით.

Ჯანმრთელობის პრობლემები

ბორის ნიტრიდი (Si3N4, NbN და BNC-თან ერთად) ზოგადად ითვლება არატოქსიკურად და არ ავლენს ქიმიურ აქტივობას ბიოლოგიურ სისტემებში. მისი შესანიშნავი უსაფრთხოების პროფილის და საპოხი თვისებების გამო, ბორის ნიტრიდი ფართოდ გამოიყენება სხვადასხვა გამოყენებაში, მათ შორის კოსმეტიკასა და საკვების გადამამუშავებელ მოწყობილობებში.