Los nanotubos de nitruro de boro (BNNT) son uno de los materiales más prometedores que ofrece la nanotecnología. Como su nombre indica, los BNNT tienen la misma estructura cilíndrica que los nanotubos de carbono (CNT), pero su disposición atómica es diferente, por lo que presentan características distintas.
Fue a mediados de la década de 1990 cuando los investigadores comenzaron a identificar los BNNT. Desde entonces, han despertado rápidamente el interés de especialistas en diversos campos debido a sus fascinantes propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas.
Se discutirá la estructura, síntesis, propiedades y amplia gama de aplicaciones de los BNNT, proporcionando evidencia de sus capacidades como nanomaterial versátil para el futuro.
Propiedades estructurales y físicas del BNNT
Los tubos sin costura de láminas de nitruro de boro (HBN) hexagonales de sección transversal radial se enrollan en nanoestructuras cilíndricas, conocidas como BNNT.
Incorporan una estructura relacionada con la red del grafito, donde los átomos de boro y nitrógeno se alternan. Se ha descubierto que estos nanotubos de BN son estables gracias a la presencia de fuertes enlaces de BN.
A diferencia de los nanotubos de carbono, los análogos de carbono de los BNNT no pueden conducir electricidad ya que poseen una banda prohibida amplia que oscila alrededor de 5,5 eV y que no varía con el ángulo quiral o el diámetro del tubo.
Al presentar los BNNT, se podría decir que existen contradicciones en términos de las propiedades exhibidas por las estructuras.
Estabilidad a temperatura elevada:
Los BNNT pueden tolerar temperaturas de alrededor de 900 °C en el aire, donde los nanotubos de carbono comienzan a oxidarse a temperaturas cercanas a los 600 °C. Esto los convierte en buenos candidatos para condiciones de alta temperatura.
Alta resistencia mecánica:
Los BNNT exhiben una resistencia a la tracción excepcional con valores de módulo de Young en comparación con los de los nanotubos de carbono (alrededor de 1,3 TPa). Sus efectos piezoeléctricos mejoran sus propiedades mecánicas permitiendo así su uso en sensores y actuadores a escala nanométrica.
Estabilidad química y térmica:
La presencia de fuertes enlaces BN en los BNNT proporciona una alta resistencia a la oxidación y al desgaste químico. Presenta gran resistencia al utilizarse en entornos exigentes, incluyendo bases y ácidos fuertes.
Biocompatibilidad:
Se observa que la baja toxicidad y biocompatibilidad de los BNNT permiten su uso en biomedicina orientada al transporte de fármacos, o biosensores, implantes y mecanismos inabales.
Aislamiento eléctrico de alta conductividad térmica:
Al igual que sus propiedades térmicas, los BNNT se consideran buenos aislantes eléctricos y poseen una alta conductividad térmica. Esto permite su uso eficaz para la gestión térmica en las formulaciones de diversos sistemas electrónicos.
Síntesis de BNNT
Se ha intentado sintetizar BNNT mediante diversos métodos, como la síntesis por flujo de gas, pero su escalabilidad es bastante difícil. A continuación se describen algunos de los métodos más comunes.
Deposición química de vapor (CVD):
En este proceso, una fuente de boro, como óxido de boro o haluros de boro, junto con una fuente de nitrógeno, se calienta y se descompone para formar el depósito requerido. Mediante CVD, se pueden fabricar BNNT de tamaño y forma ajustables con una alta relación de aspecto.
Ablación láser:
Un blanco de boro en polvo se consume mediante un láser de alta potencia en un recinto lleno de nitrógeno. El nitrógeno aporta el elemento faltante para crear BNNT. Si bien esta técnica es eficaz para fabricar BNNT de alta calidad cristalina, su relación coste-beneficio no favorece la producción en masa.
Molienda de bolas y recocido:
Este es un método de dos pasos: primero, se muele un tubo de polvo de boro para obtener pequeños gránulos, y luego se calienta en un ambiente de nitrógeno para sintetizar BNNT. Sin embargo, este método es más económico, los tubos resultantes son más cortos, de longitud más uniforme y menos numerosos.
Descarga de arco de plasma:
En esta técnica, se forma un arco de plasma entre dos electrodos de boro en una atmósfera de nitrógeno. Las altas temperaturas características del arco de plasma son responsables del crecimiento de los BNNT. Diversos estudios sugieren que Este procedimiento es eficiente para producir grandes volúmenes., pero la calidad puede variar.
Aplicaciones de los nanotubos de nitruro de boro
Debido a sus propiedades excepcionales, los BNNT se adaptan a muchos usos, desde usos eléctricos y térmicos hasta la ingeniería biomédica y aeroespacial.
1. Electrónica y optoelectrónica
Los BNNT son materiales innovadores que ofrecen alta seguridad en electrónica. Ofrecen un excelente aislamiento eléctrico con una alta disipación de calor. Los transistores de alta frecuencia logran un rendimiento mejorado gracias a la adición de BNNT, que ayudan a mitigar el ruido eléctrico. Estos materiales también son útiles en electrónica de alta potencia, ya que soportan temperaturas muy altas sin perder su integridad estructural.
En optoelectrónica, los BNNT se utilizan para proporcionar una superficie óptima para la arquitectura de diodos orgánicos emisores de luz (OLED), gracias a su sustrato, que es ópticamente transparente y duradero. Además, mejoran el rendimiento del fotodetector al proporcionar un mejor transporte de carga y disipación de calor.
2. Gestión térmica
Gracias a su alta conductividad y estabilidad térmica, los BNNT también son útiles cuando se requiere gestión térmica en dispositivos electrónicos. Dado que la generación actual de dispositivos electrónicos es más pequeña y potente, existe una creciente necesidad de una disipación térmica eficaz para evitar el sobrecalentamiento. Los BNNT pueden utilizarse como materiales de interfaz térmica, permitiendo la transferencia de calor a la vez que garantizan el aislamiento eléctrico.
3. Compuestos y materiales estructurales. Los BNNT son potencialmente los mejores elementos de refuerzo en materiales compuestos debido a sus excepcionales propiedades mecánicas. Gracias a la incorporación de BNNT en polímeros, metales o cerámicas, los investigadores pueden producir materiales compuestos ligeros, más resistentes, térmicamente estables y más duraderos que los compuestos convencionales.
Estos compuestos encontrarían uso en los sectores aeroespacial y automovilístico, donde el peso de los componentes y el rendimiento de los materiales son de suma importancia.
Por ejemplo, la incorporación de BNNT en matrices poliméricas aumenta significativamente la resistencia mecánica, la conductividad térmica y la resistencia a la radiación de las matrices. Esta cualidad les permite soportar incluso las condiciones extremadamente hostiles del espacio.
4. Aplicaciones biomédicas
La biocompatibilidad de los BNNT permite su uso en diversos campos biomédicos. Gracias a su gran superficie, los BNNT también pueden servir como sistemas de administración de fármacos. Se pueden utilizar biomoléculas para recubrir los BNNT y así incorporarlos con éxito a los sistemas vivos.
Además, en la ingeniería de tejidos, los BNNT sirven como andamios para el crecimiento celular y la reconstrucción tisular. Presentan gran resistencia y biocompatibilidad, lo que facilita la cicatrización de heridas.
Los biosensores y los implantes médicos son algunas de las aplicaciones de los BNNT debido a su naturaleza piezoeléctrica. Generan impulsos eléctricos al aplicar una fuerza externa, lo que también permite detectar cambios en el cuerpo.
5. Almacenamiento y producción de energía
Los estudios sobre los BNNT también abarcan su uso como materiales para dispositivos de almacenamiento de energía, como baterías o ultracondensadores. La gran superficie de este material de electrodo, sintetizado a partir de BNNT, y su estabilidad contribuyen a mejorar el rendimiento en términos de capacidad de almacenamiento de energía y ciclos de vida de los dispositivos de almacenamiento.
Los dispositivos portátiles potencian una de las aplicaciones de los BNNT: los materiales piezoeléctricos pueden transformar la energía mecánica en formas como vibraciones o movimientos del cuerpo en energía eléctrica.
6. Protección contra la radiación
Los BNNT también poseen excelentes propiedades de protección radiológica, especialmente contra la radiación de neutrones. Esto los hace aptos para su uso en áreas como misiones espaciales, dentro de reactores nucleares y máquinas para el tratamiento del cáncer. El uso de BNNT en compuestos puede aumentar la resistencia del material a radiaciones nocivas, a la vez que optimiza su diseño.
7. Mecanismos sensoriales y elementos de transducción
Las propiedades piezoeléctricas y semiconductoras de los BNNT los hacen idóneos para la fabricación de sensores y actuadores a escala nanométrica. Estos materiales compuestos de BNNT pueden modificarse en un grado determinado en entornos de presión, tensión o químicos con la gran sensibilidad y la rápida respuesta que ofrecen los sensores de tensión de alto rendimiento.
Estas características pueden aprovecharse en la construcción de sensores delgados y portátiles destinados a capturar índices fisiológicos.
Resumiendo
Los nanotubos de nitruro de boro son una clase de materiales a escala nanométrica que presentan diversas características interesantes. Sus características únicas, como su alta estabilidad térmica, sus elevadas propiedades mecánicas (que permiten la biocompatibilidad) y su aislamiento térmico, los convierten en un material multiusos para una amplia gama de campos, como la electrónica, la biomedicina y la industria aeroespacial.
Desde la perspectiva del futuro, se puede decir que las expectativas en torno a los BNNT son optimistas ya que las nuevas formas de sintetizarlos se pueden integrar con una mayor comprensión de estos materiales.
Los avances en nanotecnología junto con la necesidad de materiales de alto rendimiento probablemente desencadenarán aún más investigación y desarrollo en el campo de los BNNT.