Nanotubos de Nitruro de Boro

 

Nanotubos de Nitruro de Boro: Introducción y descripción general

Los nanotubos de nitruro de boro son una estructura nanomaterial en forma de tubo muy similar a los nanotubos de carbono donde los átomos de carbono son sustituidos por átomos alternos de nitrógeno y boro. Tanto los nanotubos de carbono y los de nitruro de boro presentan unas propiedades y una síntesis química muy parecida debido a que sus moléculas de origen (“ parent  molecule”) presentan una estructura hexagonal con unas distancias de

celdilla muy parecidas como se puede observar en la siguiente figura1 1:

Los nanotubos de BN (de ahora en adelante se denotarán con “BNNT”) fueron predichos ya

teóricamente en 1994 por Rubio, Corkill y Cohen basados en que sus propiedades y su estructura molecular era muy similar a la del carbono 2. Posteriormente fueron sintetizados exitosamente en 1995 mediante una descarga eléctrica de plasma en una varilla de Tungsteno 3

y BN y un electrodo de cobre . Primeramente fueron sintetizados solamente nanotu bos de una sola capa (“ single-walled ””). ). Más recientemente han podido podido ser sintetizados nanotubos de d doble oble y triple capa. Sus propiedades mecánicas a altas temperaturas y especialmente sus propiedades eléctricas hacen de él un material con una enorme proyección de futuro.

1

Ishigami M. et al. . Physics Department, University of  California at Berkeley. 2003  2 Angel Rubio. et al. Department of Physics, University of  California. 1994  Nasreen at G. Berkeley, Chopra etBerkeley, al. Publicado en la revista Science en 1995.

3 California

 

En la figura 2 se pueden observar BNNT observados por un microscopio electrónico de barrido:

Figura 2: Imagen de Nanotubos de BN obtenidos por un microscopio electrónico de barrido  por el departamento departamento de nanoma nanomateriales teriales d de e la Univ Universidad ersidad N Nacional acional de Australi Australia. a.

Síntesis

Los BNNT se sintetizan químicamente de forma muy parecida a la síntesis ya muy desarrollada de los nanotubos de carbono. Básicamente se distinguen 4 maneras de producirlos: Descarga de arco

Una manera de producir nanotubos (de hecho fue con la que se descubrieron experimentalmente los BNNT) de C y de BN es usando una gran descarga eléctrica (formando un arco voltaico) entre dos electrodos. En el caso de los BNNT se realiza la síntesis mediante una descarga eléctrica de unos 100 amperios en una atmósfera inerte utilizando un ánodo de cobre y un cátodo de tungsteno o tantal lleno de BN. En el cátodo se forman entonces los BNNT. Es muy importante destacar que este proceso sucede a temperaturas muy elevadas (del orden de 3000 ºC) y por lo tanto no resulta viable para su producción a gran escala. 4   Ablación Laser 

Este método fue desarrollado por el Dr. Smalley de la universidad de Rice en 1995.5 Esté método de producción consiste en hacer evaporar BN en forma de polvo aplicando un haz láser de alta intensidad en una atmósfera inerte (N2) a alta temperatura (1200 ºC) y alta

4

S. Riikonen et al. University of Helsinki  

5 (2009) R.E. Smalley University of Rice

1995.

 

presión (5-15 GPa) y luego precipitándolos en una superficie fría. Normalmente se añaden catalizadores tales como níquel o cobalto para obtener BNNT más largos y de mejor calidad. 6,7  Molida con bolas y recocido (Ball milling and annealing)

Esté método no esta aceptado totalmente en la comunidad científica y se basa en recocer en una atmósfera muy rica en N i N2 un fino polvo de otro nanomaterial de BN como por ejemplo h-BN (lámina de un átomo de espesor de BN) o BN puro en polvo previamente molido con una trituradora de bolas. De esta manera se forman nanotubos de entre 3 i 15 nm de longitud.8  Deposición química de vapor (Chemical vapor deposition)

Este método consiste en calentar hasta 700ºC un sustrato formado por una lámina de catalizadores metálicos (Ni, Co…) en la cual se inyecta un gas con altas cantidades de BN y otro gas de procesos (como por ejemplo amoníaco o hidrógeno). Estos gases reaccionan y se forman BNNT en la lámina de metal. Este es el método más utilizado para producir nanotubos a día de hoy debido a su gran capacidad de producir una gran cantidad de nanotubos así como su buena relación cantidad/precio.

Propiedades Mecánicas y Térmicas

Las propiedades mecánicas de los BNNT se asemejan mucho a las de los nanotubos de carbono y en algunos casos son aún mejores. Tiene una gran resistencia a la tracción (13-53 GPa dependiendo de las capas que tenga el nanotubo) y una resistencia elástica muy elevada así  como un módulo de Young elevadísimo (1,18 TPa-1,22TPa)9,10 mucho más elevado que el de cualquier otra fibra (Kevlar=112 GPa), eso es debido a su baja proporción de defectos cristalinos en toda su estructura. Para realizar esta medida se utilizaron diversos métodos y el más destacable fue la medición de la amplitud de las vibraciones de un nanotubo excitado térmicamente. Se utilizó un proceso similar al recogido en la Norma ISO 12680-1:2005 12 680-1:200511 pero 6

S. Riikonen et al. University of Helsinki   (2009) 7  D. Golberg et al. National Institute for 

Research in Inorganic Materials, Japan 8

S. Riikonen et al. University of Helsinki   (2009) 9 Ishigami M. et al. . Physics Department, University of  California at Berkeley. 2003  10

of the elastic modulus of a multi-wall boron nitride nanotube> N. G. Chopra, A. Zettl University