Нитрид бора

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Целое всегда есть нечто большее, чем простая сумма его частей. Этот основополагающий принцип холизма получил еще одну блестящую иллюстрацию. (Впрочем, этот принцип никто не подвергает сомнению.) Герой иллюстрации — нитрид бора.

Существуют разные по структуре формы нитрида бора, у которых, разумеется, разные свойства — как и у аллотропных модификаций углерода. Есть мягкий графит, идеальный для карандашей, а есть твердый алмаз — рабочая лошадка в индустрии режущего инструмента.

Точно так же и у нитрида бора. Есть двумерный (2D) гексагональный нитрид бора (h-BN) — настолько мягкий, что получил название «белого графита». Это дешевое и стабильное вещество, еще и очень легкое. Его широко используют в смазках, в покрытиях и в косметике.

А есть трехмерная (3D) кубическая форма нитрида бора (c-BN) — очень твердое вещество, по твердости наступающее алмазу на пятки. Что и неудивительно — кристаллическая структура у него такая же, как и у алмаза. Твердый, термически стабильный и химически инертный — просто идеальный материал для работы.

Обычно его используют для шлифовки подшипниковой и инструментальной стали, чугуна, суперсплавов, в некоторых керамических материалах. Здесь он вне конкуренции и легко обходит алмаз по теплостойкости: у алмаза она составляет приблизительно 800°С, а у кубического нитрида бора — до 1400°С.

У исследователей из Университета Райса появилась идея смешать две эти формы нитрида бора, мягкий и твердый, сделать из смеси нанокомпозит и посмотреть, что получится. Получилось интересно и неожиданно. Оказалось, что тепловые и оптические свойства смешанного материала сильно отличаются от среднего значения двух разновидностей нитрида бора. Композит из этих двух, казалось бы, противоположных материалов превзошел их по разным функциональным возможностям.

У композита оказалась низкая теплопроводность. Значит, он может служить теплоизоляционным материалом в электронных устройствах. Композит также более активно взаимодействует с фотонами. Это, видимо, связано с более упорядоченной структурой полученного материала. Оказалось, что группы атомов бора и азота в композите образуют более крупные зерна, когерентно расположенные в решетке.

А когда композит подвергли быстрому спеканию в искровой плазме, материал превратился в гексагональный нитрид бора. Причем он был более высокого качества, чем тот, который изначально использовали для приготовления нанокомпозита. Ученые полагают, что первую скрипку в этом процесс полного фазового превращения нанокомпозита в 2D h-BN играет кубический нитрид бора. Именно он управляет кинетикой зарождения и роста идеальных, улучшенных кристаллов (Nano Letters).