Nitruro de boro hexagonal

Introducción y formas alotrópicas

El nitruro de boro (BN) es un compuesto químico en el que se alternan átomos de nitrógeno y de boro. El BN presenta cuatro posibles estructuras cristalinas, en función de su hibridación y del apilamiento de capas:

  • Estructuras con hibridación sp3 :  cúbica (c-BN, análoga a la estructura tipo diamante del carbono) y wurzcita (w-BN, análoga a la estructura tipo lonsdaleite del carbono).
  • Estructuras con hibridación sp2 : hexagonal (h-BN, con apilamiento de tipo AB de las capas de átomos) y romboédrica (r-BN, con apilamiento de tipo ABC de las capas de átomos).
Figura 1: Estructuras cristalinas del nitruro de boro
(Fuente: Mirkarimi, P. B., K. F. McCarty, and D. L. Medlin. “Review of advances in cubic boron nitride film synthesis.” Materials Science and Engineering: R: Reports 21.2 (1997): 47-100.)

La estructura cristalina más versátil y que más se está estudiando en la actualidad es la del nitruro de boro hexagonal (h-BN), ya que pertenece al grupo de los materiales denominados bidimensionales, entre los que también se encuentran la familia de los dicalcogenuros de metales de transición como el disulfuro de molibdeno y el grafeno. Al igual que este último material, también se pueden formar objetos nanométricos a partir de una lámina de h-BN (2D): nanotubos y nanocintas (1D) y fulerenos y nanopartículas (0D).

Figura 2: Estructuras nanométricas de nitruro de boro hexagonal: a) monocapa, b) fulereno, c) nanotubo d) nanocientas 
(Fuente: Jiang, Xiang-Fen, et al. “Recent progress on fabrications and applications of boron nitride nanomaterials: a review.” Journal of Materials Science & Technology 31.6 (2015): 589-598.)

Propiedades

Al igual que el grafeno, el h-BN es también térmica y químicamente estable. Su conductividad térmica es de 400W/mK, cuatro veces inferior a la del grafeno, pero su módulo de Young es de 1.3TPa, superior al del grafeno, que es de 1.1TPa. La longitud de los enlaces en el h-BN es de 0.144nm, muy similar a los 0.142nm de los del grafeno. Su energía de enlace es de 4eV, más grande también que la del grafeno, de 3.7eV. El espaciado entre capas es también muy similar en ambos materiales: 0.333nm para el caso del h-BN y 0.335nm para el caso del grafeno.

En el mismo caso que en el grafeno, los enlaces entre átomos de nitrógeno y boro de una misma capa son enlaces de tipo σ, muy fuertes, pero los enlaces entre dos capas son de tipo Van der Waals, muy débiles. La diferencia más importante entre ambos materiales es a nivel de sus propiedades electrónicas según la teoría de bandas: mientras que el grafeno es un conductor, el h-BN es un aislante, ya que tiene una energía del gap de 6eV, lo que posibilitaría su aplicación en dispositivos electrónicos si se lograse disminuir hasta un máximo de 3.5eV.

Debido a que tanto el grafeno como el h-BN presentan algunas propiedades similares, pero este último de obtiene de BN (tranparente) y no de grafito (negro), al h-BN se le suele denominar “grafeno blanco”.

Síntesis

Debido a los débiles enlaces entre capas del h-BN, es muy fácil separarlas y obtenerlas simplemente exfoliándolas a partir de un cristal de BN. Otra posible forma de obtenerlas es a partir de la molécula de borazina mediante el método CVD (Chemical Vapour Deposition), en el que se calienta la superficie sobre la que queremos crecer h-BN para que cuando la molécula incida sobre ella, se ionice, se rompan los enlaces con los átomos de H, que formarán H2 (compuesto muy volátil), dejando en la superficie los anillos de N y B que formarán la red hexagonal del h-BN.

Figura 3: Molécula de borazina
(Fuente: https://www.reddit.com/r/chemhelp/comments/5xhumf/what_is_the_hybridization_of_b_in_borazine_and/)

Aplicaciones

  • Los fulerenos de h-BN presentan una buena capacidad de lubricación, lo que ha dado lugar a su uso en la industria de los cosméticos. Asimismo, poseen una buena capacidad para absorber sustancias como hidrógeno y compuestos orgánicos, lo que hace que se esté investigando si servirían para absorber la contaminación producida en las ciudades.

 

  • Las nanopartículas de BN mejoran la conductividad térmica en los nanofluidos al mismo tiempo que mantienen su viscosidad. También se ha demostrado su eficacia para inducir la apoptosis e inhibir la proliferación de células cancerígenas en la próstata.

 

  • Los nanotubos de h-BN permiten aumentar la conductividad térmica y mejorar las propiedades mecánicas de cerámicas y metales. También se usan para absorber hidrógeno, recubrir materiales ailantes, para producir emisión de campo y luminiscencia ultravioleta. Son capaces de inducir apatita, muy útil para aplicaciones ortopédicas. Asimismo, se ha probado su eficacia para transportar ADN y medicamentos a células cancerígenas por el torrente sanguíneo cuando se usan asistentes magnéticos como el fluoruro de gadolinio dopado con europio.

 

  • Las nanocintas de h-BN también han mejorado las propiedades mecánicas y la estabilidad química frente a la degradación de compuestos poliméricos y preservado su carácter aislante.

 

  • Las monocapas de h-BN son capaces de incrementar la movilidad de los electrones el grafeno, así como de abrir en él un gap, volviendo al grafeno un semiconductor. También sirven para proteger transistores, dispositivos túnel y monocapas hidrofóbicas frente a la oxidación debido a su carácter inerte.

 

  • El nitruro de boro nanoporoso tiene aplicaciones en la absorción de H2, transporte de medicamentos a células cancerígenas sobre superficies hidrofílicas. Sobre su superficie se pueden depositar átomos como calcio y Litio. Es capaz de absorber contaminantes orgánicos.

 

  • Cuando el h-BN se deposita sobre otros substratos con celdas unidad hexagonales de diferente tamaño o bien con las que forma un determinado ángulo, se forman unas superperiodicidades en la red denominadas patrones de Moiré, sobre las que se pueden depositar de forma ordenada y controlada moléculas, átomos o incluso fulerenos, avanzando así en el camino hacia los dispositivos nanométricos autoensamblados.
Figura 4: Patrones de Moiré formados para dos ángulos diferentes de rotación entre dos capas de grafeno.
(Fuente: http://demonstrations.wolfram.com/MoirePatternsAndCommensurabilityInRotatedGrapheneBilayers/)

Referencias

  • Mirkarimi, P. B., K. F. McCarty, and D. L. Medlin. “Review of advances in cubic boron nitride film synthesis.” Materials Science and Engineering: R: Reports2 (1997): 47-100.
  • Jiang, Xiang-Fen, et al. “Recent progress on fabrications and applications of boron nitride nanomaterials: a review.” Journal of Materials Science & Technology6 (2015): 589-598.)

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