Atómicamente delgado El nitruro de boro hexagonal 2-D (h-BN) es un material prometedor cuya capacidad proteica para sufrir transformaciones de fase a fuertes, superligero químicamente estable, Las películas resistentes a la oxidación las hacen ideales para recubrimientos protectores, aplicaciones térmicas de nanotecnología, emisores de luz ultravioleta profunda, y mucho más.

Las posibilidades incorporadas en diferentes politipos de h-BN incluyen la fase de diamante ultraduro, una estructura cúbica (c-BN) con resistencia y dureza solo superadas por los diamantes de carbono reales. La clave para fabricar dichos materiales es la capacidad de inducir y controlar la transformación entre sus diversas fases cristalinas, de una manera que sea lo suficientemente eficiente y rentable como para permitir economías de escala.

Si bien la síntesis de dichos materiales en sus configuraciones 'a granel' o 3-D requiere una inmensa presión y calor, investigadores de la NYU Tandon School of Engineering han descubierto que h-BN en capas, Las láminas 2-D delgadas como una molécula pueden realizar una transición de fase a c-BN a temperatura ambiente.

En un nuevo estudio, un equipo dirigido por Elisa Riedo, Profesor de Ingeniería Química y Biomolecular en NYU Tandon, y en colaboración con Remi Dingreville en el Centro de Nanotecnologías de Sandia National Laboratories, Produjo experimentos y simulaciones usando una punta nanoscópica comprimiendo atómicamente delgada, Capas 2-D h-BN para revelar cómo se producen estas transiciones de fase a temperatura ambiente y cómo optimizarlas, en parte variando el número de capas en la película delgada h-BN.

La investigación, "Formación inducida por presión y propiedades mecánicas del nitruro de boro de diamante 2-D, "cuyos autores incluyen a Angelo Bongiorno, Profesor de Química en la City University of New York; Filippo Cellini, ex postdoctorado en PicoForce Lab de Riedo en NYU Tandon; Elton Chen de Sandia National Labs; Ryan L. Hartman, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular en NYU Tandon; y Francesco Lavini y Filip Popovic, Doctor. estudiantes en el laboratorio de Riedo, aparece como la historia de portada en el Volumen 8, Número 2 de la revista Ciencia avanzada .

"Cuando BN está en la fase de diamante, la dureza y la rigidez aumentan drásticamente, y es, De hecho, casi tan duro como un diamante de carbono tradicional con una estabilidad térmica y química mejorada, "dijo Riedo, "Pero normalmente no se puede encontrar en la naturaleza. La formación de nitruro de boro cúbico debe realizarse en un laboratorio. Así que nos propusimos explorar la física y la comprensión de la transición de fase de nitruro de boro hexagonal a cúbico en el caso especial de películas que son atómicas delgada."

Lavini explicó que el trabajo implicó la aplicación de presión a películas de h-BN atómicamente delgadas con un número de capas atómicas de una a diez, utilizando un microscopio de fuerza atómica (AFM). Para probar la extensión de la transición de fase de la estructura cristalina hexagonal a la cúbica, la sonda de punta nanoscópica AFM aplica presión y mide simultáneamente la elasticidad del material.

"Un alto grado de rigidez demuestra la transición de fase a la estructura del cristal de diamante. Esto es crítico porque no estaba claro antes de que la transición de fase pudiera ocurrir incluso a temperatura ambiente". ", explicó." Debido a que toda la física de las transiciones de fase es diferente en un 'universo' 2-D, estamos descubriendo y redefiniendo algunas reglas fundamentales de los materiales. En este estado, por ejemplo, la barrera de energía para la transformación de fase hexagonal a cúbica es mucho más pequeña ".

Los experimentos y simulaciones también revelaron el grosor óptimo para lograr la transición a c-BN:los investigadores no observaron transformación de fase alguna en películas de h-BN monocapa. mientras que las películas de dos y tres capas mostraron un aumento del 50% en la rigidez cuando se aplicó presión con la punta nanoscópica, un proxy para la transición de fase h-BN-a-c-BN. Por encima de tres capas, los investigadores observaron un grado decreciente de transición de la fase del diamante.

A través de simulaciones, descritas en el estudio, los colaboradores también descubrieron heterogeneidad en la transición de fase:en lugar de que el cambio espontáneo a c-BN ocurra uniformemente bajo presión, encontraron que los diamantes se formaron en racimos, y ampliado. También observaron que cuanto mayor es el número de capas de h-BN, cuanto menor sea el número de grupos de diamantes.

Riedo explicó que los beneficios de los diamantes 2-D BN sobre los diamantes de carbono 2-D (también conocido como diameno) son la adaptabilidad y las posibles economías de fabricación. "Recientemente descubrimos que es posible inducir la formación de diameno a partir del grafeno, sin embargo, se requieren tipos específicos de sustratos o productos químicos, mientras que h-BN puede formar diamantes sobre cualquier sustrato en atmósfera ambiental. En general, es realmente emocionante el descubrimiento de nuevas propiedades excepcionales en las fases de diamante inducidas por presión en materiales 2-D ", dijo.

Riedo dijo que la siguiente fase se centrará en la investigación aplicada, con experimentos más a gran escala sobre resistencia mecánica para aplicaciones específicas.