Il composito di nitruro di boro del Rice Lab potrebbe essere utile per applicazioni tecnologiche avanzate

Proprio come il carbonio costituisce sia il fragile nucleo di una matita n. 2 sia il diamante più duro dell'acciaio in un utensile da taglio, il nitruro di boro dà origine a composti che possono essere morbidi o duri. Tuttavia, a differenza del carbonio, si sa molto meno sulle forme del nitruro di boro e sulle loro risposte ai cambiamenti di temperatura e pressione.

Gli scienziati della Rice University hanno mescolato nitruro di boro esagonale ⎯ una varietà morbida nota anche come “grafite bianca” ⎯ con nitruro di boro cubico ⎯ un materiale secondo al diamante per durezza ⎯ e hanno scoperto che il nanocomposito risultante interagiva con la luce e il calore in modi inaspettati che potrebbero essere utili nei microchip di prossima generazione, nei dispositivi quantistici e in altre applicazioni tecnologiche avanzate.

"Il nitruro di boro esagonale è ampiamente utilizzato in una varietà di prodotti, come rivestimenti, lubrificanti e cosmetici", ha affermato Abhijit Biswas, uno scienziato ricercatore e autore principale di uno studio sulla ricerca pubblicato su Nano Letters. “È piuttosto morbido ed è un ottimo lubrificante, oltre ad essere molto leggero. È anche economico e molto stabile a temperatura ambiente e sotto pressione atmosferica.

“Anche il nitruro di boro cubico è un materiale molto interessante, con proprietà che lo rendono molto promettente per l’uso in elettronica. A differenza del nitruro di boro esagonale, è super duro: in realtà è vicino al diamante in termini di durezza."

Il composito di questi due materiali apparentemente opposti ha sovraperformato i materiali originari in diverse funzionalità.

"Abbiamo scoperto che il composito aveva una bassa conduttività termica, il che significa che potrebbe fungere da materiale termoisolante nei dispositivi elettronici, ad esempio", ha affermato Biswas. “Le proprietà termiche e ottiche del materiale misto sono molto diverse dalla media delle due varietà di nitruro di boro”.

Hanyu Zhu, uno degli autori corrispondenti dello studio, ha affermato di aspettarsi che “la proprietà ottica che misuriamo chiamata generazione di seconda armonica sarebbe piccola per questo tipo di materiale disordinato.

"Ma in realtà risulta essere piuttosto grande dopo il riscaldamento, un ordine di grandezza superiore sia al materiale singolo che alla miscela non trattata."

Ha detto che gli atomi di boro e di azoto nel composito mostravano una maggiore regolarità e formavano grani più grandi, dove un grano indica la dimensione di un gruppo di atomi allineati coerentemente in un reticolo.

"Siamo rimasti sorpresi nello scoprire che i grani di nitruro di boro cubico crescono invece di diminuire in questo materiale dai piccoli grani nei composti di partenza non miscelati", ha detto Zhu, presidente della William Marsh Rice Chair e assistente professore di scienza dei materiali e nanoingegneria.

Le previsioni teoriche e i risultati sperimentali hanno prodotto affermazioni contrastanti su quale delle due varietà di nitruro di boro fosse la più stabile:

"Alcuni teorici affermano che, in condizioni ambientali, il nitruro di boro cubico è più stabile", ha detto Biswas. “Sperimentalmente, le persone hanno visto che il nitruro di boro esagonale è molto stabile. Quindi, se chiedi a qualcuno quale fase del nitruro di boro è la più stabile, probabilmente dirà nitruro di boro esagonale. Ciò che stiamo vedendo sperimentalmente è l’opposto di ciò che la gente dice in termini teorici, ed è ancora oggetto di dibattito”.

Quando il composito è stato sottoposto a una tecnica rapida e ad alta temperatura nota come sinterizzazione al plasma a scintilla, si è trasformato in nitruro di boro esagonale. Biswas ha affermato che ciò conferma le previsioni teoriche e aiuta a dipingere un quadro più completo di “quali varietà di nitruri di boro compaiono e in quali condizioni”.

Inoltre il nitruro di boro esagonale ottenuto dopo questo trattamento era di qualità superiore rispetto a quello inizialmente utilizzato per la miscela.

"Quello che vedremo in seguito è se la tecnica di sinterizzazione al plasma a scintilla migliora di per sé la qualità del nitruro di boro esagonale o se è necessario il composito per ottenere quell'effetto", ha detto Biswas.

"L'aspetto affascinante di questo studio è che apre la possibilità di personalizzare i materiali in nitruro di boro con le giuste quantità di strutture esagonali e cubiche, consentendo così un'ampia gamma di proprietà meccaniche, termiche, elettriche e ottiche personalizzate in questo materiale", ha affermato Pulickel Ajayan, autore corrispondente dello studio e presidente del Dipartimento di Scienza dei Materiali e Nanoingegneria della Rice. Ajayan è professore di ingegneria Benjamin M. e Mary Greenwood Anderson e professore di scienza dei materiali e nanoingegneria, chimica e ingegneria chimica e biomolecolare.