Un poco de hBN en la cerámica podría darles propiedades excepcionales, según un científico de la Universidad de Rice.

Rouzbeh Shahsavari, un profesor asistente de ingeniería civil y ambiental, sugirió que la incorporación de láminas ultrafinas de nitruro de boro hexagonal (hBN) entre capas de silicatos de calcio haría un cristal bicapa interesante con propiedades multifuncionales. Estos podrían ser adecuados para materiales de construcción y refractarios y aplicaciones en la industria nuclear. petróleo y gas, aeroespacial y otras áreas que requieren compuestos de alto rendimiento.

La combinación de los materiales produciría una cerámica que no solo es resistente y duradera, sino que también es resistente al calor y la radiación. Según los cálculos de Shahsavari, Los silicatos de calcio con capas insertadas de hBN bidimensional podrían endurecerse lo suficiente para servir como blindaje en aplicaciones nucleares como plantas de energía.

La investigación aparece en la revista American Chemical Society Materiales e interfaces aplicados de ACS .

El hBN bidimensional recibe el apodo de grafeno blanco y se parece al grafeno desde arriba, con hexágonos enlazados que forman un plano ultrafino. Pero el hBN se diferencia del grafeno en que consiste en alternancia de boro y nitrógeno, en lugar de carbono, átomos.

"Este trabajo muestra la posibilidad de refuerzo de material en la dimensión más pequeña posible, el plano basal de la cerámica, ", Dijo Shahsavari." Esto da como resultado un cristal bicapa en el que el hBN es una parte integral del sistema, a diferencia de los rellenos de refuerzo convencionales que están conectados de manera suelta al material huésped.

"Nuestro estudio de alto nivel muestra una estabilidad energética y una mejora significativa de las propiedades debido al enlace covalente, transferencia de carga y mezcla orbital entre hBN y silicatos de calcio, " él dijo.

La forma de cerámica que estudió el laboratorio, conocido como tobermorita, tiende a autoensamblarse en capas de calcio y oxígeno unidas por cadenas de silicato a medida que se seca y se convierte en cemento endurecido. El estudio a escala molecular de Shahsavari mostró que el hBN se mezcla bien con la tobermorita, se desliza en los espacios entre las capas a medida que los átomos de boro y oxígeno se unen y abrochan las hojas planas de hBN.

Este pandeo similar al de un acordeón se debe a la afinidad química y la transferencia de carga entre los átomos de boro y la tobermorita que estabiliza el compuesto y le da alta resistencia y tenacidad. propiedades que generalmente se intercambian entre sí en materiales de ingeniería, Dijo Shahsavari. La explicación parece ser un mecanismo de dos fases que tiene lugar cuando las capas de hBN están sometidas a tensión o tensión.

Los modelos de Shahsavari de tobermorita y tobermorita-hBN apilados horizontalmente mostraron que el compuesto era tres veces más fuerte y aproximadamente un 25 por ciento más rígido que el material plano. El análisis computacional mostró por qué:mientras que las cadenas de silicato en la tobermorita fallaron cuando se vieron obligadas a rotar a lo largo de sus ejes, las láminas de hBN aliviaron la tensión primero desabrochando y luego endureciendo.

Cuando se comprime, la tobermorita simple mostró un bajo límite elástico (o módulo elástico) de aproximadamente 10 gigapascales (GPa) con un límite elástico (el punto en el que un material se deforma) del 7 por ciento. El material compuesto mostró un límite elástico de 25 GPa y una deformación de hasta un 20 por ciento.

"Un gran inconveniente de las cerámicas es que son frágiles y se rompen con una gran tensión o deformación, ", Dijo Shahsavari." Nuestra estrategia supera esta limitación, proporcionando mayor ductilidad y tenacidad al tiempo que mejora las propiedades de resistencia.

"Como beneficio adicional, la tolerancia térmica y a la radiación del sistema también aumenta, prestación de propiedades multifuncionales, ", dijo." Todas estas características son importantes para prevenir el deterioro de la cerámica y aumentar su vida útil, ahorrando energía y costes de mantenimiento ".

Cuando el material se probó desde otros ángulos, las diferencias entre la tobermorita pura y el compuesto fueron menos pronunciadas, pero en promedio, hBN mejoró significativamente las propiedades del material.

"En comparación con los rellenos unidimensionales, como las fibras convencionales o los nanotubos de carbono, Los materiales bidimensionales como el hBN son de dos caras, por lo que tienen el doble de superficie por unidad de masa, "Dijo Shahsavari." Esto es perfecto para refuerzo y adhesión a la matriz circundante ".

Dijo que otros materiales 2-D como el disulfuro de molibdeno, El diselenuro de niobio y el hidróxido doble en capas también pueden ser adecuados para el diseño ascendente de cerámicas de alto rendimiento y otros materiales compuestos multifuncionales.