في الكيمياء، البنية هي كل شيء. يمكن للمركبات التي لها نفس الصيغة الكيميائية أن يكون لها خصائص مختلفة اعتمادًا على ترتيب الجزيئات التي تتكون منها. والمركبات ذات الصيغة الكيميائية المختلفة ولكن الترتيب الجزيئي المماثل يمكن أن يكون لها خصائص مماثلة.
يقع الجرافين وشكل من أشكال نيتريد البورون يسمى نيتريد البورون السداسي في المجموعة الأخيرة. يتكون الجرافين من ذرات الكربون. يتكون نيتريد البورون (BN) من ذرات البورون والنيتروجين. وعلى الرغم من اختلاف صيغها الكيميائية، إلا أنها تتمتع ببنية مماثلة ــ متشابهة إلى حد أن العديد من الكيميائيين يطلقون على نيتريد البورون السداسي اسم “الجرافين الأبيض”.
يتمتع الجرافين المعتمد على الكربون بالكثير من الخصائص المفيدة. إنه رقيق ولكنه قوي، ويوصل الحرارة والكهرباء بشكل جيد للغاية، مما يجعله مثاليًا للاستخدام في الإلكترونيات.
وبالمثل، فإن نيتريد البورون السداسي لديه مجموعة من الخصائص المشابهة للجرافين والتي يمكن أن تحسن التصوير الطبي الحيوي وتوصيل الأدوية، وكذلك أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية ومصابيح LED. لقد درس الباحثون هذا النوع من نيتريد البورون لسنوات عديدة.
لكن نيتريد البورون السداسي ليس هو الشكل المفيد الوحيد الذي يأتي به هذا المركب.
كمهندسي مواد، قام فريق البحث لدينا بالتحقيق في نوع آخر من نيتريد البورون يسمى نيتريد البورون المكعب. نريد أن نعرف ما إذا كان الجمع بين خصائص نيتريد البورون السداسي مع نيتريد البورون المكعب يمكن أن يفتح الباب أمام تطبيقات أكثر فائدة.
سداسية مقابل مكعب
نيتريد البورون السداسي هو، كما قد تتخيل، جزيئات نيتريد البورون مرتبة على شكل مسدس مسطح. يبدو على شكل قرص العسل، مثل الجرافين. يحتوي نيتريد البورون المكعب على بنية شبكية ثلاثية الأبعاد ويبدو مثل الماس على المستوى الجزيئي.
مادة H-BN رقيقة وناعمة وتستخدم في مستحضرات التجميل لمنحها ملمس حريري. فهو لا يذوب أو يتحلل حتى تحت الحرارة الشديدة، مما يجعله مفيدًا أيضًا في الإلكترونيات والتطبيقات الأخرى. ويتوقع بعض العلماء إمكانية استخدامه لبناء درع إشعاعي للمركبات الفضائية.
C-BN صلب ومقاوم. يتم استخدامه في التصنيع لصنع أدوات القطع والمثاقب، ويمكنه الاحتفاظ بحافته الحادة حتى في درجات الحرارة المرتفعة. يمكن أن يساعد أيضًا في تبديد الحرارة في الإلكترونيات.
على الرغم من أن h-BN وc-BN قد يبدوان مختلفين، إلا أنه عند تجميعهما معًا، وجدت أبحاثنا أنهما يحملان إمكانات أكبر من أي منهما بمفرده.
كلا النوعين من نيتريد البورون يوصل الحرارة ويمكن أن يوفر العزل الكهربائي، ولكن أحدهما، h-BN، ناعم، والآخر، c-BN، صلب. لذا، أردنا معرفة ما إذا كان من الممكن استخدامهما معًا لإنشاء مواد ذات خصائص مثيرة للاهتمام.
على سبيل المثال، الجمع بين سلوكياتها المختلفة يمكن أن يجعل مادة الطلاء فعالة في التطبيقات الهيكلية ذات درجات الحرارة العالية. يمكن أن يوفر C-BN التصاقًا قويًا بالسطح، بينما يمكن لخصائص التشحيم الخاصة بـ h-BN مقاومة التآكل. كلاهما معًا من شأنه أن يحافظ على المادة من الحرارة الزائدة.
صنع نيتريد البورون
لا توجد هذه الفئة من المواد بشكل طبيعي، لذا يجب على العلماء تصنيعها في المختبر. بشكل عام، كان من الصعب تصنيع c-BN عالي الجودة، في حين أن تصنيع h-BN أسهل نسبيًا كأفلام عالية الجودة، باستخدام ما يسمى بطرق ترسيب الطور البخاري.
في ترسيب مرحلة البخار، نقوم بتسخين البورون والمواد المحتوية على النيتروجين حتى تتبخر. يتم بعد ذلك ترسيب الجزيئات المتبخرة على السطح، ثم تبرد وتترابط معًا وتشكل طبقة رقيقة من BN.
لقد عمل فريق البحث لدينا على الجمع بين h-BN وc-BN باستخدام عمليات مشابهة لترسيب مرحلة البخار، ولكن يمكننا أيضًا مزج مساحيق الاثنين معًا. تتمثل الفكرة في بناء مادة تحتوي على المزيج الصحيح من h-BN وc-BN للحصول على خصائص حرارية وميكانيكية وإلكترونية يمكننا ضبطها بدقة.
لقد وجد فريقنا أن المادة المركبة المصنوعة من الجمع بين كلا شكلي BN معًا لها مجموعة متنوعة من التطبيقات المحتملة. عند توجيه شعاع الليزر نحو المادة، فإنه يومض بشكل ساطع. يمكن للباحثين استخدام هذه الخاصية لإنشاء شاشات عرض وتحسين العلاج الإشعاعي في المجال الطبي.
لقد وجدنا أيضًا أنه يمكننا تخصيص مدى توصيل المادة المركبة للحرارة. وهذا يعني أنه يمكن للمهندسين استخدام مركب BN هذا في الآلات التي تدير الحرارة. والخطوة التالية هي محاولة تصنيع ألواح كبيرة مصنوعة من مركب h-BN وc-BN. إذا تم ذلك بدقة، يمكننا تخصيص الخصائص الميكانيكية والحرارية والبصرية لتطبيقات محددة.
في الإلكترونيات، يمكن أن يعمل h-BN كعازل – أو عازل – إلى جانب الجرافين في بعض الإلكترونيات منخفضة الطاقة. باعتباره عازلًا للكهرباء، فإن h-BN سيساعد الإلكترونيات على العمل بكفاءة والحفاظ على شحنتها.
يمكن أن يعمل C-BN جنبًا إلى جنب مع الماس لإنشاء مواد ذات فجوة نطاقية واسعة جدًا تسمح للأجهزة الإلكترونية بالعمل بطاقة أعلى بكثير. يقوم كل من Diamond وc-BN بتوصيل الحرارة بشكل جيد، ويمكنهما معًا المساعدة في تبريد هذه الأجهزة عالية الطاقة، والتي تولد الكثير من الحرارة الإضافية.
يمكن أن يؤدي كل من H-BN وc-BN بشكل منفصل إلى إلكترونيات تؤدي أداءً جيدًا بشكل استثنائي في سياقات مختلفة – معًا، لديهم مجموعة من التطبيقات المحتملة أيضًا.
يمكن لمركب BN الخاص بنا تحسين موزعات الحرارة والعوازل، ويمكن أن يعمل في آلات تخزين الطاقة مثل المكثفات الفائقة، وهي أجهزة تخزين الطاقة سريعة الشحن، والبطاريات القابلة لإعادة الشحن.
سنواصل دراسة خصائص BN، وكيف يمكننا استخدامه في مواد التشحيم والطلاءات والأسطح المقاومة للتآكل. وسيكون تطوير طرق لزيادة الإنتاج أمرًا أساسيًا لاستكشاف تطبيقاتها، بدءًا من علوم المواد إلى الإلكترونيات وحتى العلوم البيئية.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد.
كتب بواسطة: بوليكل أجيان، جامعة رايس وأبهيجيت بيسواس، جامعة رايس.
اقرأ أكثر:
يتلقى بوليكل أجيان تمويلًا من مختبر أبحاث الجيش ومكتب أبحاث الجيش.
لا يعمل أبهيجيت بيسواس في أي شركة أو مؤسسة أو يتشاور معها أو يمتلك أسهمًا فيها أو يتلقى تمويلًا منها قد تستفيد من هذه المقالة، ولم يكشف عن أي انتماءات ذات صلة بعد تعيينه الأكاديمي.