En chimie, la structure est primordiale. Les composés ayant la même formule chimique peuvent avoir des propriétés différentes selon la disposition des molécules qui les composent. Et les composés ayant une formule chimique différente mais un arrangement moléculaire similaire peuvent avoir des propriétés similaires.
Le graphène et une forme de nitrure de bore appelé nitrure de bore hexagonal appartiennent à ce dernier groupe. Le graphène est composé d'atomes de carbone. Le nitrure de bore, BN, est composé d'atomes de bore et d'azote. Bien que leurs formules chimiques diffèrent, ils ont une structure similaire, si similaire que de nombreux chimistes appellent le nitrure de bore hexagonal « graphène blanc ».
Le graphène à base de carbone possède de nombreuses propriétés utiles. Il est fin mais solide, et conduit très bien la chaleur et l'électricité, ce qui le rend idéal pour une utilisation en électronique.
De même, le nitrure de bore hexagonal possède une multitude de propriétés similaires au graphène qui pourraient améliorer l’imagerie biomédicale et l’administration de médicaments, ainsi que les ordinateurs, les smartphones et les LED. Les chercheurs étudient ce type de nitrure de bore depuis de nombreuses années.
Mais le nitrure de bore hexagonal n'est pas la seule forme utile de ce composé.
En tant qu'ingénieurs en matériaux, notre équipe de recherche a étudié un autre type de nitrure de bore appelé nitrure de bore cubique. Nous voulons savoir si la combinaison des propriétés du nitrure de bore hexagonal avec celles du nitrure de bore cubique pourrait ouvrir la porte à des applications encore plus utiles.
Le nitrure de bore hexagonal est, comme vous pouvez le deviner, des molécules de nitrure de bore disposées en forme d'hexagone plat. Il ressemble à du graphène en forme de nid d’abeille. Le nitrure de bore cubique a une structure de réseau tridimensionnel et ressemble à un diamant au niveau moléculaire.
Le H-BN est fin, doux et utilisé en cosmétique pour leur donner une texture soyeuse. Il ne fond pas et ne se dégrade pas, même sous une chaleur extrême, ce qui le rend également utile dans l'électronique et d'autres applications. Certains scientifiques prédisent qu'il pourrait être utilisé pour construire un bouclier anti-radiation pour les vaisseaux spatiaux.
Le C-BN est dur et résistant. Il est utilisé dans l'industrie manufacturière pour fabriquer des outils de coupe et des forets, et il peut conserver son tranchant même à des températures élevées. Cela peut également aider à dissiper la chaleur dans les appareils électroniques.
Même si le h-BN et le c-BN peuvent sembler différents, nos recherches ont montré qu'une fois réunis, ils recèlent encore plus de potentiel que l'un ou l'autre pris isolément.
Les deux types de nitrure de bore conduisent la chaleur et peuvent fournir une isolation électrique, mais l’un, le h-BN, est mou et l’autre, le c-BN, est dur. Nous voulions donc voir s'ils pouvaient être utilisés ensemble pour créer des matériaux aux propriétés intéressantes.
Par exemple, la combinaison de leurs différents comportements pourrait rendre un matériau de revêtement efficace pour les applications structurelles à haute température. Le C-BN pourrait fournir une forte adhérence à une surface, tandis que les propriétés lubrifiantes du h-BN pourraient résister à l'usure. Les deux ensemble empêcheraient le matériau de surchauffer.
Cette classe de matériaux n’existe pas naturellement, les scientifiques doivent donc la fabriquer en laboratoire. En général, le c-BN de haute qualité a été difficile à synthétiser, alors que le h-BN est relativement plus facile à fabriquer sous forme de films de haute qualité, en utilisant ce que l'on appelle des méthodes de dépôt en phase vapeur.
Lors du dépôt en phase vapeur, nous chauffons les matériaux contenant du bore et de l'azote jusqu'à ce qu'ils s'évaporent. Les molécules évaporées se déposent ensuite sur une surface, refroidissent, se lient entre elles et forment un mince film de BN.
Notre équipe de recherche a travaillé sur la combinaison du h-BN et du c-BN en utilisant des processus similaires au dépôt en phase vapeur, mais nous pouvons également mélanger les poudres des deux. L'idée est de construire un matériau avec le bon mélange de h-BN et de c-BN pour des propriétés thermiques, mécaniques et électroniques que nous pouvons affiner.
Notre équipe a découvert que la substance composite obtenue à partir de la combinaison des deux formes de BN présente diverses applications potentielles. Lorsque vous pointez un faisceau laser sur la substance, celui-ci clignote vivement. Les chercheurs pourraient utiliser cette propriété pour créer des écrans d'affichage et améliorer les radiothérapies dans le domaine médical.
Nous avons également découvert que nous pouvions adapter le degré de conductivité thermique du matériau composite. Cela signifie que les ingénieurs pourraient utiliser ce composite BN dans des machines gérant la chaleur. La prochaine étape consiste à essayer de fabriquer de grandes plaques constituées d’un composite h-BN et c-BN. Si cela est fait avec précision, nous pouvons adapter les propriétés mécaniques, thermiques et optiques à des applications spécifiques.
En électronique, le h-BN pourrait agir comme un diélectrique (ou un isolant) aux côtés du graphène dans certains appareils électroniques de faible consommation. En tant que diélectrique, le h-BN aiderait l'électronique à fonctionner efficacement et à conserver sa charge.
Le C-BN pourrait travailler aux côtés du diamant pour créer des matériaux à bande interdite ultra-large qui permettraient aux appareils électroniques de fonctionner à une puissance beaucoup plus élevée. Le diamant et le c-BN conduisent tous deux bien la chaleur et, ensemble, ils pourraient contribuer à refroidir ces appareils haute puissance, qui génèrent beaucoup de chaleur supplémentaire.
Le H-BN et le c-BN pourraient conduire séparément à des composants électroniques exceptionnellement performants dans différents contextes. Ensemble, ils ont également une multitude d'applications potentielles.
Notre composite BN pourrait améliorer les dissipateurs de chaleur et les isolants, et pourrait fonctionner dans des machines de stockage d'énergie telles que les supercondensateurs, qui sont des dispositifs de stockage d'énergie à charge rapide, et les batteries rechargeables.
Nous continuerons à étudier les propriétés du BN et la manière dont nous pouvons l'utiliser dans les lubrifiants, les revêtements et les surfaces résistantes à l'usure. Développer des moyens d'augmenter la production sera essentiel pour explorer ses applications, de la science des matériaux à l'électronique et même aux sciences de l'environnement.
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Fourni par The Conversation
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