โบรอนไนไตรด์ (BN): โครงสร้างคุณสมบัติการผลิตการใช้งาน - กายภาพ - 2026

โบรอนไนไตรด์เป็นอนินทรีของแข็งเกิดขึ้นจากการรวมกันของอะตอมโบรอน (B) กับอะตอมไนโตรเจน (N) สูตรทางเคมีคือ BN เป็นของแข็งสีขาวที่ทนต่ออุณหภูมิสูงและเป็นตัวนำความร้อนได้ดี ตัวอย่างเช่นใช้ทำเบ้าหลอมในห้องปฏิบัติการ

โบรอนไนไตรด์ (BN) สามารถทนต่อกรดหลายชนิดได้ แต่ก็มีจุดอ่อนบางประการที่จะถูกโจมตีโดยกรดไฮโดรฟลูออริกและฐานหลอมเหลว เป็นฉนวนไฟฟ้าอย่างดี

โครงสร้างของโบรอนไนไตรด์ (BN) ฤกษ์นพ. ที่มา: Wikimedia Commons

ได้มาจากโครงสร้างผลึกต่างๆซึ่งสิ่งที่สำคัญที่สุดคือหกเหลี่ยมและลูกบาศก์ โครงสร้างหกเหลี่ยมมีลักษณะคล้ายกราไฟต์และมีความลื่นจึงใช้เป็นน้ำมันหล่อลื่น

โครงสร้างลูกบาศก์มีความแข็งเกือบเท่าเพชรและใช้ทำเครื่องมือตัดและปรับปรุงความเหนียวของวัสดุอื่น ๆ

ด้วยโบรอนไนไตรด์สามารถสร้างท่อด้วยกล้องจุลทรรศน์ (บางมาก) ที่เรียกว่าท่อนาโนซึ่งมีการใช้งานทางการแพทย์เช่นการขนส่งภายในร่างกายและการปลดปล่อยยาต้านเนื้องอกมะเร็ง

โครงสร้าง

โบรอนไนไตรด์ (BN) เป็นสารประกอบที่อะตอมของโบรอนและไนโตรเจนมีพันธะโควาเลนต์ด้วยพันธะสาม

โมเลกุลโบรอนไนไตรด์ที่แยกได้จะมีอะตอมโบรอนและอะตอมไนโตรเจนที่เชื่อมด้วยพันธะสาม เบญจ - bmm 27. ที่มา: Wikimedia Commons

ในเฟสของแข็ง BN ประกอบด้วยอะตอมโบรอนและไนโตรเจนจำนวนเท่ากันในรูปของวงแหวน 6 วง

โครงสร้างเรโซแนนซ์ของวงแหวน BN ผู้แต่ง: Teachi. ที่มา: Wikimedia Commons

BN มีอยู่ในรูปแบบผลึกสี่แบบ: หกเหลี่ยม (h-BN) คล้ายกับแกรไฟต์ลูกบาศก์ (c-BN) คล้ายกับเพชรรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน (r-BN) และเวิร์ตไซท์ (w-BN)

โครงสร้างของ h-BN นั้นคล้ายกับแกรไฟต์กล่าวคือมีระนาบของวงแหวนหกเหลี่ยมซึ่งมีอะตอมของโบรอนและไนโตรเจนสลับกัน

โครงสร้างในรูปแบบของระนาบแยกของโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม เบญจ - bmm 27. ที่มา: Wikimedia Commons

มีระยะห่างที่ดีระหว่างระนาบของ h-BN ซึ่งแสดงให้เห็นว่าพวกมันเข้าร่วมโดยกองกำลังของแวนเดอร์วาลส์เท่านั้นซึ่งเป็นพลังดึงดูดที่อ่อนแอมากและเครื่องบินสามารถเลื่อนทับกันได้อย่างง่ายดาย

ด้วยเหตุนี้ h-BN จึงเป็นครีมที่น่าสัมผัส

โครงสร้างของลูกบาศก์ BN c-BN คล้ายกับเพชร

การเปรียบเทียบระหว่างลูกบาศก์โบรอนไนไตรด์ (ซ้าย) และหกเหลี่ยม (ขวา) จาก: Benutzer: Oddball, vector version โดย chris 論 ที่มา: Wikimedia Commons

ศัพท์เฉพาะ

โบรอนไนไตรด์

คุณสมบัติ

สภาพร่างกาย

ของแข็งสีขาวมันเยิ้มหรือลื่นเมื่อสัมผัส

น้ำหนักโมเลกุล

24.82 ก. / โมล

จุดหลอมเหลว

ระเหิดที่ประมาณ 3000 ºC

ความหนาแน่น

Hex BN = 2.25 ก. / ซม. ³

คิวบิก BN = 3.47 ก. / ซม. ³

การละลาย

ละลายได้เล็กน้อยในแอลกอฮอล์ร้อน

คุณสมบัติทางเคมี

เนื่องจากพันธะที่แข็งแกร่งระหว่างไนโตรเจนและโบรอน (พันธะสาม) โบรอนไนไตรด์จึงมีความต้านทานต่อการโจมตีทางเคมีสูงและมีความเสถียรมาก

มันเป็นละลายในกรดเช่นกรดไฮโดรคลอริก HCl, กรดไนตริก HNO ₃และกรดซัลฟูริก H ₂ SO 4 แต่ละลายได้ในฐานหลอมเหลวเช่นลิเทียมไฮดรอกไซด์ LiOH โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ KOH และโซเดียมไฮดรอกไซด์ NaOH

ไม่ทำปฏิกิริยากับโลหะแก้วหรือเกลือส่วนใหญ่ บางครั้งก็ทำปฏิกิริยากับกรดฟอสฟ H ₃ PO 4 สามารถต้านทานการเกิดออกซิเดชั่นที่อุณหภูมิสูง BN มีความเสถียรในอากาศ แต่ถูกไฮโดรไลซ์อย่างช้าๆด้วยน้ำ

BN ถูกโจมตีโดยก๊าซฟลูออรีน F ₂และกรดไฮโดรฟลูออริก HF

คุณสมบัติทางกายภาพอื่น ๆ

มีการนำความร้อนสูงเสถียรภาพทางความร้อนสูงและมีความต้านทานไฟฟ้าสูงนั่นคือเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดี มีพื้นที่ผิวสูง

H-BN (BN หกเหลี่ยม) เป็นของแข็งที่ไม่เด่นชัดในการสัมผัสคล้ายกับกราไฟท์

เมื่อให้ความร้อน h-BN ที่อุณหภูมิสูงและความดันมันจะแปลงเป็นลูกบาศก์ในรูป c-BN ซึ่งยากมาก ตามแหล่งข้อมูลบางแห่งระบุว่าสามารถขูดเพชรได้

วัสดุที่ใช้ BN มีความสามารถในการดูดซับสิ่งปนเปื้อนอนินทรีย์ (เช่นไอออนของโลหะหนัก) และสารปนเปื้อนอินทรีย์ (เช่นสีย้อมและโมเลกุลของยา)

Sorption หมายความว่าคุณโต้ตอบกับพวกมันและสามารถดูดซับหรือดูดซับได้

การได้รับ

ผง H-BN จะถูกจัดเตรียมโดยปฏิกิริยาโบรอนออกไซด์ B ₂ O ₃หรือบอริกกรด H ₃ BO ₃กับแอมโมเนีย NH ₃หรือยูเรีย NH ₂ (CO) NH ₂ภายใต้บรรยากาศไนโตรเจน N 2

BN ยังสามารถรับได้โดยการทำปฏิกิริยาโบรอนกับแอมโมเนียที่อุณหภูมิสูงมาก

อีกวิธีในการเตรียมคือจากแอมโมเนียdiborane B ₂ H ₆และ NH ₃โดยใช้ก๊าซเฉื่อยและอุณหภูมิสูง (600-1080 ° C):

B ₂ H ₆ + 2 NH ₃ → 2 BN + 6 H ₂

การประยุกต์ใช้งาน

H-BN (โบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม) มีการใช้งานที่สำคัญหลากหลายตามคุณสมบัติ:

- เป็นน้ำมันหล่อลื่นที่เป็นของแข็ง

- เป็นสารเติมแต่งเครื่องสำอาง

- ในฉนวนไฟฟ้าที่มีอุณหภูมิสูง

- ในเบ้าหลอมและภาชนะปฏิกิริยา

- ในแม่พิมพ์และภาชนะระเหย

- สำหรับเก็บไฮโดรเจน

- ในการเร่งปฏิกิริยา

- เพื่อดูดซับมลพิษจากสิ่งปฏิกูล

ลูกบาศก์โบรอนไนไตรด์ (c-BN) สำหรับความแข็งเกือบเท่ากับของเพชรที่ใช้:

- ในเครื่องมือตัดสำหรับการตัดเฉือนวัสดุเหล็กแข็งเช่นเหล็กอัลลอยด์เหล็กหล่อและเหล็กกล้าเครื่องมือ

- เพื่อปรับปรุงความแข็งและความต้านทานการสึกหรอของวัสดุแข็งอื่น ๆ เช่นเซรามิกบางชนิดสำหรับเครื่องมือตัด

เครื่องมือตัดบางชนิดอาจมีโบรอนไนไตรด์เพื่อเพิ่มความแข็ง ผู้แต่ง: Michael Schwarzenberger ที่มา: Pixabay

- การใช้ฟิล์มบาง BN

มีประโยชน์อย่างมากในเทคโนโลยีของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ซึ่งเป็นส่วนประกอบของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ตัวอย่างเช่น:

- ในการสร้างไดโอดแบน ไดโอดเป็นอุปกรณ์ที่อนุญาตให้กระแสไฟฟ้าไหลเวียนไปในทิศทางเดียวเท่านั้น

- ในไดโอดหน่วยความจำโลหะฉนวน - เซมิคอนดักเตอร์เช่น Al-BN-SiO ₂ -Si

- ในวงจรรวมเป็นตัว จำกัด แรงดันไฟฟ้า

- เพื่อเพิ่มความแข็งของวัสดุบางชนิด

- เพื่อป้องกันวัสดุบางชนิดจากการเกิดออกซิเดชัน

- เพื่อเพิ่มเสถียรภาพทางเคมีและฉนวนไฟฟ้าของอุปกรณ์หลายประเภท

- ในตัวเก็บประจุแบบฟิล์มบาง

ไดโอดและตัวเก็บประจุบางตัวอาจมีโบรอนไนไตรด์ ผู้แต่ง: Sinisa Maric ที่มา: Pixabay

- การใช้ท่อนาโน BN

ท่อนาโนเป็นโครงสร้างที่ในระดับโมเลกุลมีรูปร่างเหมือนท่อ เป็นท่อที่มีขนาดเล็กมากจนสามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ชนิดพิเศษเท่านั้น

ลักษณะของท่อนาโน BN มีดังนี้

- พวกมันมีความไม่ชอบน้ำสูงนั่นคือพวกมันขับไล่น้ำ

- มีความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชั่นและความร้อนสูง (สามารถต้านทานการเกิดออกซิเดชั่นได้สูงถึง 1,000 ° C)

- จัดแสดงความจุไฮโดรเจนสูง

- ดูดซับรังสี

- เป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีมาก

- มีการนำความร้อนสูง

- ทนต่อการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงได้ดีเยี่ยมหมายความว่าสามารถใช้เพื่อเพิ่มเสถียรภาพการเกิดออกซิเดชันของพื้นผิวได้

- เนื่องจากความไม่ชอบน้ำของพวกมันจึงสามารถใช้ในการเตรียมพื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำได้มากนั่นคือพวกมันไม่มีความสัมพันธ์กับน้ำและน้ำไม่ซึมผ่านพวกมัน

-BN ท่อนาโนปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุบางชนิดเช่นถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มความแข็งและความต้านทานต่อการแตกหักของแก้ว

ท่อนาโนโบรอนไนไตรด์สังเกตได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ Keun Su Kim et al. . ที่มา: Wikimedia Commons

ในการใช้งานทางการแพทย์

ท่อนาโน BN ได้รับการทดสอบว่าเป็นพาหะสำหรับยารักษามะเร็งเช่น doxorubicin องค์ประกอบบางอย่างกับวัสดุเหล่านี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเคมีบำบัดด้วยยาดังกล่าว

จากประสบการณ์หลายครั้งท่อนาโนของ BN ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีศักยภาพในการขนส่งยาใหม่ ๆ และปลดปล่อยออกมาอย่างเหมาะสม

การใช้ท่อนาโน BN ในวัสดุชีวภาพพอลิเมอร์ได้รับการตรวจสอบเพื่อเพิ่มความแข็งความเร็วในการย่อยสลายและความทนทาน วัสดุเหล่านี้เป็นวัสดุที่ใช้ในการปลูกถ่ายกระดูก

เป็นเซ็นเซอร์

ท่อนาโน BN ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างอุปกรณ์ใหม่สำหรับตรวจจับความชื้นคาร์บอนไดออกไซด์ CO ₂และสำหรับการวินิจฉัยทางคลินิก เซ็นเซอร์เหล่านี้แสดงให้เห็นถึงการตอบสนองที่รวดเร็วและเวลาในการฟื้นตัวสั้น

ความเป็นพิษที่เป็นไปได้ของวัสดุ BN

มีความกังวลบางประการเกี่ยวกับผลกระทบที่เป็นพิษของท่อนาโนบีเอ็น ไม่มีความเห็นเป็นเอกฉันท์ที่ชัดเจนเกี่ยวกับความเป็นพิษต่อเซลล์เนื่องจากการศึกษาบางชิ้นระบุว่าเป็นพิษต่อเซลล์ในขณะที่บางงานระบุว่าตรงกันข้าม

สาเหตุนี้เกิดจากความไม่ชอบน้ำหรือความไม่สามารถละลายได้ในน้ำเนื่องจากทำให้ยากต่อการศึกษาเกี่ยวกับวัสดุทางชีวภาพ

นักวิจัยบางคนได้เคลือบพื้นผิวของท่อนาโน BN ด้วยสารประกอบอื่น ๆ ที่เหมาะกับการละลายในน้ำ แต่สิ่งนี้ได้เพิ่มความไม่แน่นอนให้กับประสบการณ์มากขึ้น

แม้ว่าการศึกษาส่วนใหญ่ระบุว่าระดับความเป็นพิษอยู่ในระดับต่ำ แต่ก็คาดว่าควรมีการตรวจสอบที่แม่นยำยิ่งขึ้น

อ้างอิง

1. Xiong, J. et al. (2020) ตัวดูดซับโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม: การสังเคราะห์การปรับแต่งประสิทธิภาพและการใช้งาน วารสารเคมีพลังงาน 40 (2020) 99-111. กู้คืนจาก reader.elsevier.com.
2. Mukasyan, AS (2017). โบรอนไนไตรด์. ในสารานุกรมฉบับย่อของการสังเคราะห์อุณหภูมิสูงที่แพร่กระจายตัวเอง กู้คืนจาก sciencedirect.com.
3. Kalay, S. et al. (2558). การสังเคราะห์ท่อนาโนโบรอนไนไตรด์และการใช้งาน Beilstein J. นาโนเทคโนโลยี 2558, 6, 84-102. กู้คืนจาก ncbi.nlm.nih.gov
4. อารี, SPS (1988). การเตรียมคุณสมบัติและการใช้ฟิล์มบางโบรอนไนไตรด์ ฟิล์มทึบบาง 157 (1988) 267-282 กู้คืนจาก sciencedirect.com.
5. Zhang, J. และคณะ (2557). ลูกบาศก์โบรอนไนไตรด์คอมโพสิตเซรามิกเมทริกซ์สำหรับเครื่องมือตัด ความก้าวหน้าในเซรามิกเมทริกซ์คอมโพสิต กู้คืนจาก sciencedirect.com.
6. ฝ้ายเอฟอัลเบิร์ตและวิลคินสันจอฟฟรีย์ (1980) เคมีอนินทรีย์ขั้นสูง. พิมพ์ครั้งที่สี่. John Wiley & Sons
7. Sudarsan, V. (2017). วัสดุสำหรับสภาพแวดล้อมทางเคมีที่ไม่เป็นมิตร ในวัสดุภายใต้สภาวะที่รุนแรง กู้คืนจาก sciencedirect.com
8. คณบดี JA (บรรณาธิการ) (1973) คู่มือเคมีของ Lange บริษัท McGraw-Hill
9. มาฮาน BH (2511). เคมีมหาวิทยาลัย. Fondo Educativo Interamericano, SA