Der Bornitrid-Verbundwerkstoff von Rice Lab könnte für fortschrittliche Technologieanwendungen nützlich sein

So wie Kohlenstoff sowohl den spröden Kern eines Bleistifts Nr. 2 als auch den Diamanten, der härter als Stahl ist, in einem Schneidwerkzeug ausmacht, entstehen aus Bornitrid Verbindungen, die weich oder hart sein können. Doch im Gegensatz zu Kohlenstoff ist über die Formen von Bornitrid und seine Reaktionen auf sich ändernde Temperaturen und Drücke weitaus weniger bekannt.

Wissenschaftler der Rice University mischten hexagonales Bornitrid – eine weiche Sorte, die auch als „weißer Graphit“ bekannt ist – mit kubischem Bornitrid – einem Material, das in der Härte zweitgrößter Diamant ist – und stellten fest, dass das resultierende Nanokomposit auf unerwartete Weise mit Licht und Wärme interagierte, was nützlich sein könnte in Mikrochips der nächsten Generation, Quantengeräten und anderen fortschrittlichen Technologieanwendungen.

„Hexagonales Bornitrid wird häufig in einer Vielzahl von Produkten wie Beschichtungen, Schmiermitteln und Kosmetika verwendet“, sagte Abhijit Biswas, ein Forscher und Hauptautor einer in Nano Letters veröffentlichten Studie über die Forschung. „Es ist ziemlich weich, ein tolles Gleitmittel und sehr leicht. Es ist außerdem günstig und bei Raumtemperatur und unter Atmosphärendruck sehr stabil.

„Auch kubisches Bornitrid ist ein sehr interessantes Material, dessen Eigenschaften es für den Einsatz in der Elektronik sehr vielversprechend machen.“ Im Gegensatz zu hexagonalem Bornitrid ist es superhart – tatsächlich kommt es der Härte eines Diamanten nahe.“

Der Verbundstoff aus diesen beiden scheinbar gegensätzlichen Materialien übertraf seine Ausgangsmaterialien in verschiedenen Funktionalitäten.

„Wir fanden heraus, dass der Verbundwerkstoff eine geringe Wärmeleitfähigkeit hatte, was bedeutet, dass er beispielsweise als wärmeisolierendes Material in elektronischen Geräten dienen könnte“, sagte Biswas. „Die thermischen und optischen Eigenschaften des Mischmaterials unterscheiden sich stark vom Durchschnitt der beiden Bornitrid-Varianten.“

Hanyu Zhu, einer der korrespondierenden Autoren der Studie, sagte, er erwarte, dass „die optische Eigenschaft, die wir messen und als Erzeugung der zweiten Harmonischen bezeichnet wird, für diese Art von ungeordnetem Material gering sein würde.“

„Aber nach dem Erhitzen ist es tatsächlich ziemlich groß, eine Größenordnung mehr als sowohl das Einzelmaterial als auch die unbehandelte Mischung.“

Er sagte, dass die Bor- und Stickstoffatome im Verbundwerkstoff eine größere Regelmäßigkeit aufwiesen und größere Körner bildeten, wobei ein Korn die Größe einer Gruppe von Atomen bezeichnet, die kohärent in einem Gitter angeordnet sind.

„Wir waren überrascht, dass die kubischen Bornitridkörner in diesem Material aus den kleinen Körnern in den ungemischten Ausgangsverbindungen wachsen statt kleiner zu werden“, sagte Zhu, Inhaber des William Marsh Rice Chair und Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Nanotechnik.

Theoretische Vorhersagen und experimentelle Ergebnisse führten zu konkurrierenden Behauptungen darüber, welche der beiden Bornitrid-Varianten stabiler sei:

„Einige Theoretiker sagen, dass kubisches Bornitrid bei Umgebungsbedingungen stabiler ist“, sagte Biswas. „Experimentell hat man gesehen, dass hexagonales Bornitrid sehr stabil ist. Wenn Sie also jemanden fragen, welche Bornitridphase am stabilsten ist, wird er wahrscheinlich hexagonales Bornitrid sagen. Was wir experimentell sehen, ist das Gegenteil von dem, was die Leute theoretisch sagen, und es steht immer noch zur Debatte.“

Als der Verbundwerkstoff einer schnellen Hochtemperaturtechnik namens Spark-Plasma-Sintern unterzogen wurde, wandelte er sich in hexagonales Bornitrid um. Biswas sagte, dies bestätige theoretische Vorhersagen und helfe dabei, ein umfassenderes Bild davon zu zeichnen, „welche Arten von Bornitriden unter welchen Bedingungen auftreten“.

Darüber hinaus war das nach dieser Behandlung erhaltene hexagonale Bornitrid von höherer Qualität als das ursprünglich für die Mischung verwendete.

„Als nächstes schauen wir uns an, ob die Spark-Plasma-Sintertechnik allein die Qualität von hexagonalem Bornitrid verbessert, oder ob man den Verbundstoff benötigt, um diesen Effekt zu erzielen“, sagte Biswas.

„Das Faszinierende an dieser Studie ist, dass sie Möglichkeiten eröffnet, Bornitrid-Materialien mit den richtigen Mengen an hexagonalen und kubischen Strukturen anzupassen und so ein breites Spektrum maßgeschneiderter mechanischer, thermischer, elektrischer und optischer Eigenschaften in diesem Material zu ermöglichen“, sagte Pulickel Ajayan, korrespondierender Autor der Studie und Vorsitzender der Rice-Abteilung für Materialwissenschaft und Nanotechnik. Ajayan ist Benjamin M. und Mary Greenwood Anderson Professor für Ingenieurwissenschaften und Professor für Materialwissenschaften und Nanotechnik, Chemie sowie chemische und biomolekulare Technik.

Zhiting Tian, ​​Eugene A. Leinroth Sesquicentennial Faculty Fellow und außerordentlicher Professor an der Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering der Cornell University, ist ebenfalls korrespondierender Autor. Die Forschung wurde vom Army Research Office (W911NF-19-2-0269) unterstützt. die National Science Foundation (2005096), das Office of Naval Research (N00014-22-1-2357) und das Department of Energy (DE-SC0012311).

„Phasenstabilität von hexagonalen/kubischen Bornitrid-Nanokompositen“ | Nano-Buchstaben | DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01537 Autoren: Abhijit Biswas, Rui Xu, Joyce Christiansen-Salameh, Eugene Jeong, Gustavo Alvarez, Chenxi Li, Anand Puthirath, Bin Gao, Arushi Garg, Tia Gray, Harikishan Kannan, Xiang Zhang, Jacob Elkins, Tymofii Pieshkov, Robert Vajtai, A. Glen Birdwell, Mahesh Neupane, Bradford Pate, Tony Ivanov, Elias Garratt, Pengcheng Dai, Hanyu Zhu, Zhiting Tian und Pulickel Ajayanhttps://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01537

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/08/230727_Biswas_Fitlow_4401_cropped-copy.jpeg BILDUNTERSCHRIFT: Abhijit Biswas ist Forschungswissenschaftler im Nanomaterials Laboratory der Rice University. (Foto von Jeff Fitlow/Rice University)https://news-network.rice.edu/news/files/2023/08/230727_Biswas_Fitlow_4378.jpg Bornitridproben (Foto von Jeff Fitlow/Rice University)https://news- network.rice.edu/news/files/2023/08/Hanyu-Zhu-1.jpg BILDUNTERSCHRIFT: Hanyu Zhu (Foto von Jeff Fitlow/Rice University)https://news-network.rice.edu/news/files/ 2023/08/210707_Ajayan_Fitlow_116-68-1.jpg Bildunterschrift: Pulickel Ajayan (Foto von Jeff Fitlow/Rice University)

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Ajayan-Labor: https://ajayan.rice.edu Zhu-Labor: https://zhugroup.rice.edu/

Abteilung für Materialwissenschaften und Nanoengineering: https://msne.rice.edu

George R. Brown School of Engineering: https://engineering.rice.edu

Die Rice University befindet sich auf einem 300 Hektar großen bewaldeten Campus in Houston und wird von US News & World Report regelmäßig zu den 20 besten Universitäten des Landes gezählt. Rice verfügt über hoch angesehene Fakultäten für Architektur, Wirtschaft, Weiterbildung, Ingenieurwesen, Geisteswissenschaften, Musik, Naturwissenschaften und Sozialwissenschaften und ist die Heimat des Baker Institute for Public Policy. Mit 4.552 Studenten und 3.998 Doktoranden beträgt das Verhältnis zwischen Studenten und Dozenten an Rice knapp 6 zu 1. Sein Wohnhochschulsystem baut enge Gemeinschaften und lebenslange Freundschaften auf, nur einer der Gründe, warum Rice im Princeton Review auf Platz 1 für viel Rassen-/Klasseninteraktion und auf Platz 4 für Lebensqualität steht. Rice wird auch von Kiplingers Personal Finance als beste Privatuniversität eingestuft.