Hợp chất có độ cứng chỉ đứng sau kim cương nhưng bền hơn - Boron Nitride hay Bo Nitrit

Nhiều hợp chất vô cơ đơn giản, chẳng hạn như natri clorua hoặc oxit sắt đã đủ quen thuộc, nhưng boron nitride - chỉ là một nguyên tử boron với một nitơ - có khả năng hiển thị ít hơn nhiều so với nó. Nó là một hợp chất hữu ích tuyệt vời, có lẽ là bí mật được giữ bí mật nhất trong tất cả các hóa học. Một phần điều này là do nó không tồn tại cho đến khi được sản xuất trong phòng thí nghiệm - boron nitride được sản xuất lần đầu tiên vào gần đầu thế kỷ thứ mười tám, nhưng không được sử dụng thương mại cho đến những năm 1940. Ngày nay, nó được tạo ra phần lớn bằng cách phản ứng với boron trioxide hoặc axit boric với amoniac (hoặc đôi khi là urê) trong bầu khí quyển nitơ.

Điều làm cho boron nitride trở nên đặc biệt là sự tương đồng về cấu trúc điện tử của nó với tính linh hoạt nhất của các nguyên tố, carbon, có cùng số lượng electron giữa các nguyên tử liền kề. Boron nitride là carbon của thế giới hợp chất, tương đương với tất cả các dạng carbon, thậm chí các phân tử fullerene kỳ lạ, mà đối với boron nitride có thể có sự kết hợp của hình vuông, hình ngũ giác, hình lục giác và hình bát giác trong cấu trúc giống như quả bóng của chúng.

Lục giác boron nitride

Hai dạng boron nitride được sử dụng nhiều nhất là tương đương với than chì và kim cương. Giống như kim cương tổng hợp được làm từ than chì, nitrat boron hình khối giống như kim cương được sản xuất từ ​​phiên bản lục giác cơ bản, bằng cách áp dụng áp suất và nhiệt độ cực cao. Kết quả là các tinh thể cứng gần như kim cương và đánh bại các anh em carbon của họ bằng một số khả năng khác.

Trong thực tế, ngay cả khi có liên quan đến độ cứng, boron nitride có thể vượt trội so với đối thủ lấp lánh của nó. Các cấu trúc tinh thể chịu tác động của Hall- Petch , trong đó độ cứng của vật liệu lớn hơn nếu các cấu trúc có kích thước hạt nhỏ hơn. Bằng cách xử lý các hạt nano boron nitride được lựa chọn cẩn thận, một nhóm từ Đại học Yanshan ở Trung Quốc đã tạo ra nitrat boron khối với một loạt các miền đôi dày khoảng 3,8 nanomet . Kết quả là một chất vượt quá độ cứng tối ưu của kim cương tổng hợp.

Nhưng ngay cả khi không có quá trình quanh co này, boron nitride hình khối có lợi thế đáng kể so với kim cương đối với một số ứng dụng. Nó ít có khả năng trải qua các phản ứng hóa học với kim loại và có khả năng chịu nhiệt cao hơn, khiến nó trở thành lý tưởng như là chất mài mòn cuối cùng. Khi so sánh, dạng lục giác, giống như than chì, tạo ra một chất bôi trơn tốt, và khả năng phản ứng hóa học và độ ổn định hạn chế của nó có nghĩa là nó tìm đường ứng dụng vào mỹ phẩm. Không giống như than chì, nó không phải là một chất dẫn tốt, cũng có thể có lợi trong một số ứng dụng.

Các hình lục giác có phạm vi sử dụng rất rộng. Ngoài mỹ phẩm, nó được tích hợp vào gốm sứ ở nhiệt độ cao, trong vòng bi tự bôi trơn và trong các thiết bị điện tử như một chất nền để tạo lớp bán dẫn. Nó được sử dụng trong các thành phần máy in laser, chì bút chì, nhựa và các ứng dụng không gian, trong đó nó được ưa thích hơn so với than chì vì nó hoạt động mà không có các phân tử khí hoặc lỏng giữa các lớp được yêu cầu để than chì là chất bôi trơn hiệu quả. Nó thậm chí còn được sử dụng để bọc đạn, làm sạch quá trình oxy hóa từ nòng súng để bắn thẳng hơn.

Một cấu trúc quan trọng hơn của boron nitride là dạng wurtzite , cấu trúc tinh thể bị biến dạng kỳ lạ tương tự được sử dụng bởi cadmium sulfide và kẽm oxit. Về mặt kỹ thuật, điều này thậm chí còn khó hơn so với dạng khối, mặc dù giống như carbon, lonsdaleite , nó đã giới hạn các ứng dụng thực tế cho đến nay.

Một ứng dụng song song khác với carbon là khả năng phát triển ống nano boron nitride. Chúng tạo thành một tấm boron nitride dày một phân tử cuộn lại để tạo thành ống, và giống như ống nano carbon rất mạnh và nhẹ. Tuy nhiên, không giống như carbon tương đương, các ống nitrat boron là chất cách điện, ít phản ứng hóa học và ít bị phân hủy hơn ở nhiệt độ cao. Trong tương lai, các ống nano này có khả năng được tích hợp vào các tấm để xây dựng không gian vũ trụ, thêm sức mạnh nhưng vẫn giữ được sự nhẹ nhàng. Một phần thưởng bổ sung có thể là tính chất của chúng khi đồng vị boron 10 được kết hợp: đồng vị nhẹ hơn hấp thụ bức xạ, nghĩa là các ống nano như vậy có thể đóng vai trò là 'lá ​​chắn bức xạ' trong các nhiệm vụ liên hành tinh trong tương lai.

Tương tự như carbon, cũng có một boron nitride tương đương với dạng kỳ quan carbon mới, graphene. Đôi khi được gọi là "graphene trắng", các nanoshe boron nitride này đã được chứng minh là linh hoạt không kém. Một ứng dụng là loại bỏ ô nhiễm từ nước. Một vật liệu cấu trúc nanô được làm từ các tấm có thể hấp thụ gấp 33 lần trọng lượng của chính nó trong các loại dầu và dung môi hữu cơ, nhưng đồng thời nó đẩy nước (một yếu tố cũng làm cho các tấm có ích để tự làm sạch màn hình không làm mờ sương có ngưng tụ). Một khi nó được bão hòa với chất gây ô nhiễm, tấm có thể dễ dàng được làm sạch bằng cách làm nóng nó, đốt cháy chất ô nhiễm nhưng để tấm không bị hư hại.

Giống như graphene, các tấm gần hai chiều có khả năng ứng dụng rộng rãi trong điện tử, trong đó khả năng cách điện làm cho chúng trở thành đối tác tự nhiên cho độ dẫn của graphene, với một nghiên cứu ở Texas, trong số các nghiên cứu khác, đã nghiên cứu các lớp xếp chồng lên nhau của hai vật liệu.

Trong một thế giới nơi có sẵn carbon, có vẻ như không rõ lý do tại sao chúng ta nên gặp rắc rối khi tạo ra boron nitride, nhưng trong nhiều cấu trúc của nó, nó có thể đánh bại carbon. Chúng ta sẽ không thấy các dạng sống dựa trên boron nitride, bởi vì vai trò duy nhất của carbon có nhiều liên kết phân tử hơn các cấu trúc tinh thể của nó. Nhưng đối với nhiều mục đích sử dụng khác, hợp chất của tuần này có giá trị đến mức nó là boron nitride, chứ không phải kim cương, đó là người bạn tốt nhất của nhà khoa học vật liệu.