Β-nitruro de carbono

Nitruro de carbono β (nitruro de carbono beta), β-C₃N₄, es un material superduro predicho para ser más duro que el diamante.

El material fue propuesto por primera vez en 1985 por Amy Liu y Marvin L. Cohen. Al examinar la naturaleza de los enlaces cristalinos, teorizaron que los átomos de carbono y nitrógeno podrían formar un enlace particularmente corto y fuerte en una red cristalina estable en una proporción de 1:1,3, y que este material podría ser más duro que el diamante.

Los cristales de tamaño nanométrico y las nanovarillas de nitruro de carbono β se pueden preparar mediante procesamiento mecanoquímico.

Producción

Procesamiento

β-C₃N₄ se puede sintetizar en una reacción mecanoquímica. Este método implica la molienda con bolas de polvos de grafito de alta pureza hasta un tamaño amorfo a nanoescala bajo una atmósfera de argón. Luego, el argón se reemplaza por una atmósfera de gas NH₃, que ayuda a formar β-C₃N₄ en forma de escamas de tamaño nanométrico. Durante la molienda de bolas, la fractura y la soldadura de los reactivos y las partículas de polvo de grafito ocurren repetidamente debido a las colisiones de bolas y polvo. La deformación plástica de las partículas de polvo de grafito ocurre debido a que las bandas de corte se descomponen en subgranos que están separados por límites de grano de ángulo bajo, la molienda adicional reduce el tamaño del subgrano hasta que se forman subgranos de tamaño nanométrico. La alta presión y el intenso movimiento promueven la disociación catalítica de las moléculas de NH₃ en nitrógeno monoatómico en la superficie fracturada del carbono. Los polvos de carbono de tamaño nanométrico actúan de manera sustancialmente diferente a su material a granel como resultado de la dimensión de las partículas y el área superficial, lo que hace que el carbono de tamaño nanométrico reaccione fácilmente con los átomos de nitrógeno libres, formando β-C₃N₄ polvo.

Produciendo nanovarillas

Se pueden formar nanorods de β-C₃N₄ de cristal único después de que el compuesto en forma de polvo o en forma de escamas se recuece térmicamente con un NH₃ flujo de gas. El tamaño de las nanovarillas está determinado por la temperatura y el tiempo de recocido térmico. Estos nanorods crecen más rápido en la dirección de su eje que en la dirección del diámetro y tienen extremos hemisféricos. Una sección transversal de los nanorods indica que su morfología de sección es prismática. Se descubrió que contienen fases amorfas, sin embargo, cuando se recocieron a 450 °C durante tres horas bajo una atmósfera de NH₃, la cantidad de fase amorfa disminuyó a casi nada. Estos nanorods son densos y están hermanados en lugar de nanotubos. La síntesis de estos nanorods a través del recocido térmico proporciona un método eficaz, de bajo costo y alto rendimiento para la síntesis de nanorods monocristalinos.

Métodos alternativos de síntesis

En lugar de formar un polvo o una nanovarilla, el compuesto de nitruro de carbono se puede formar alternativamente en películas amorfas delgadas mediante tecnología de compresión de ondas de choque, pirólisis de precursores con alto contenido de nitrógeno, pulverización catódica con diodos, preparación solvotérmica, ablación con láser pulsado o ionización. implantación.

Dificultades de procesamiento

Aunque se han informado extensos estudios sobre el proceso y la síntesis del nitruro de carbono formado, la concentración de nitrógeno del compuesto tiende a estar por debajo de la composición ideal para C₃N₄. Esto se debe a la baja estabilidad termodinámica con respecto a las fases de carbono y gas N₂, indicada por un valor positivo de las entalpías de formación. La explotación comercial de los nanopolvos está muy limitada por el alto costo de síntesis junto con los difíciles métodos de producción que provocan un bajo rendimiento.

Características

Morfología

β-C₃N₄ tiene la misma estructura cristalina que β-Si3N4 con una red hexagonal de enlaces tetraédricos (sp³) carbono y nitrógeno planar trigonal (sp²). El recocido térmico se puede utilizar para cambiar la morfología del cristal de estructuras en forma de escamas a estructuras en forma de esfera o varilla. Los nanorods son generalmente rectos y no contienen otros defectos.

Propiedades

Se ha pronosticado una dureza igual o superior a la del diamante (el material más duro conocido), pero aún no se ha demostrado.