El nitruro de boro (BN), del que ya se habló en el apartado 5.10, de acuerdo a su composición es un material cerámico que presenta las características típicas de las cerámicas: es un buen aislante de la electricidad y tiene un punto de fusión muy elevado y una alta estabilidad química, como ya hemos visto en el capítulo dedicado a las cerámicas avanzadas (apartado 5.10). Puede obtenerse mediante la acción de nitrógeno o amoniaco a alta temperatura sobre boro, entre otras rutas sintéticas.
Atendiendo a su estructura cristalina, que era ya bien conocida a mediados del siglo XX[1], presenta varios polimorfos aparte de la variedad amorfa: uno cúbico con estructura de esfalerita (análoga al diamante), uno hexagonal con estructura de wurtzita, y el más común, otra variedad hexagonal cristalográficamente muy similar al grafito donde los átomos de boro y nitrógeno se alternan para formar capas apiladas mediante interacciones débiles de tipo Van der Waals. Este aspecto de su estructura cristalina en su forma más común fue el responsable de su resurgimiento a finales del siglo XX y principios del XXI. La idea era simple: si del grafito se habían obtenido una serie de derivados con propiedades físicas y químicas muy interesantes, ¿sería posible conseguir análogos a los nanotubos a partir del nitruro de boro? La respuesta es sí, y desde finales de la década de 1990 hubo varios grupos de investigación que se dedicaron a tratar de obtener estos materiales.
En concreto, en 1995 se sintetizaron por primera vez nanotubos de nitruro de boro[2], cuya existencia se había predicho teóricamente algunos años antes. Los nanotubos de nitruro de boro son completamente análogos a los de carbono desde el punto de vista estructural, por lo que presentan unas propiedades mecánicas similares junto con una flexibilidad extraordinaria. Por el contrario, es de destacar que tienen unas propiedades eléctricas muy distintas de las de sus equivalentes de carbono. Mientras que los nanotubos de carbono tienen un comportamiento eléctrico que varía sensiblemente con la forma del enrollamiento (apartado 10.2), los nanotubos de nitruro de boro son siempre aislantes, independientemente de la morfología de los nanotubos. Esto se debe a una reminiscencia de su carácter cerámico, lo que les confiere también una mayor estabilidad térmica en comparación con sus análogos de carbono. En la figura 10.8 podemos ver micrografías de nanotubos de nitruro de boro así como su aspecto macroscópico, que es el de un sólido granular blanco, en contraposición al color negro de los nanotubos de carbono. Se muestra también la estructura atómica de estos nanotubos que son completamente análogos a los de carbono.
Pocos años después se sintetizaron otras nanoestructuras de nitruro de boro[4]. Por ejemplo, aparecían moléculas cerradas equivalentes a los fullerenos o se experimentaba con capas muy finas de nitruro de boro hexagonal crecido en distintos metales mediante deposición química en fase vapor (apartado 4.1). De hecho, resulta curioso que la caracterización experimental en profundidad de una monocapa de nitruro de boro crecida sobre un sustrato de Rh(111) se había llevado a cabo tan solo unos meses antes de que se diera a conocer el descubrimiento del grafeno[5]. Sin embargo, no se había probado a exfoliar el material en estado sólido para extraer sus capas aisladas, lo que se llevaría a cabo algunos años después.
Debido a su carácter cerámico, las láminas de nitruro de boro no presentan las conductividades tan elevadas del grafeno. Su interacción con los sustratos también es mucho menor debido a su alta estabilidad química y térmica. En cuanto a sus propiedades mecánicas, sí que son comparables a las del grafeno, siendo un material muy resistente y con un alto módulo de Young, con la ventaja adicional de que mientras que las propiedades mecánicas del grafeno empeoran cuanto mayor es el número de capas apiladas, en el caso de nitruro de boro el buen comportamiento mecánico permanece inalterado para un conjunto de capas superpuestas[6].
Finalmente, la síntesis de las nanoestructuras de nitruro de boro es equivalente a la de sus homólogas de carbono, partiendo, evidentemente, de precursores distintos. Por ejemplo, las monocapas se pueden producir mediante exfoliación mecánica, pero el resultado es algo peor debido a que la estructura cristalina del nitruro de boro hexagonal es ligeramente distinta y los planos de las capas no están desplazados unos respecto a otros. Por el contrario, la deposición química en fase vapor es el método más adecuado para obtener grandes áreas (incluso de varios cm2) de monocapas crecidas en distintos sustratos. La figura 10.9 muestra dos ejemplos de este procedimiento en Cu(111) e Ir(111). En este caso, en vez de partir de hidrocarburos ligeros como se hace para obtener grafeno, los reactivos más apropiados son la boracina (B3H6N3) o el diborano (B2H6) en presencia de otro reactivo con nitrógeno como el amoniaco.
[1] Tal como se describe en A. F. Wells. Structural Inorganic Chemistry. 5ª Edición. Oxford University Press (1984). p. 1060.
[2] N. G. Chopra et al. Science 269 (1995) 966-967. https://doi.org/10.1126/science.269.5226.966
[3] Figura adaptada de D. Golberg et al. Adv. Mater. 19 (2007) 2413-2432. https://doi.org/10.1002/adma.200700179.
[4] Para una discusión en mayor profundidad de la que se hace aquí pueden consultarse los siguientes artículos de revisión: Y. Lin y J. W. Connell. Nanoscale 4 (2012) 6908-6939. https://doi.org/10.1039/C2NR32201C; A. Pakdel et al. Chem. Soc. Rev. 43 (2014) 934-959. https://doi.org/10.1039/C3CS60260E.
[5] M. Corso et al. Science 303 (2004) 217-220. https://doi.org/10.1126/science.1091979.
[6] A. Falin et al. Nat. Commun. 8 (2017) 15815. https://doi.org/10.1038/ncomms15815.
[7] S. Joshi et al. Nano Lett. 12 (2012) 5821-5828. https://doi.org/10.1021/nl303170m.
[8] F. H. Farwick zum Hagen et al. ACS Nano 10 (2016) 11012-11026. https://doi.org/10.1021/acsnano.6b05819.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
