Boron nitrida banyak digunakan dalam nanoelektronik, fotonik, kosmetik, dan keramik. Kekerasannya hampir sama dengan berlian. Boron nitrida sangat kuat, memiliki kepadatan rendah, yang membuatnya menjadi bahan yang ringan dan berkekuatan tinggi. Boron nitrida dikenal karena penggunaannya dalam keramik teknik.
Apa itu Boron Nitrida?
Boron nitrida adalah senyawa anorganik. Kristalnya tersusun dari boron dan nitrogen, dengan rumus kimia BN. Senyawa ini memiliki struktur kristal khusus yang mirip dengan grafit. Sifat kimia dan termalnya yang kuat terutama disebabkan oleh struktur kristalnya di mana boron terikat secara kovalen dengan nitrogen. Boron nitrida disintesis di laboratorium karena kelangkaannya di alam. Boron nitrida dapat diklasifikasikan dalam berbagai bentuk.
Setiap bentuk boron nitrida memiliki sifat dan aplikasinya sendiri. Jenis utama, struktur, dan aplikasinya diberikan dalam tabel:
Sintesis Boron Nitrida
Karena BN tidak ada dalam jumlah yang dapat digunakan di alam, semua boron nitrida komersial harus digunakan dengan hati-hati mensintesis boron nitrida. Pembuatan boron nitrida tergantung bentuk apa yang Anda inginkan:
Produksi Boron Nitrida Heksagonal (h-BN)
Boron nitrida heksagonal (h-BN) diproduksi menggunakan proses perakitan fisik atau kimia. Metode yang paling umum adalah mencampur asam borat (H₃BO₃) atau boron oksida (B₂O₃) dengan amonia (NH₃) atau urea. Reaksi ini terjadi pada suhu yang sangat tinggi yaitu 800-1200 ° C:
B₂O₃ + 2NH₃ → 2BN + 3H₂O
Proses ini biasanya terjadi dalam atmosfer nitrogen. Reaksi ini menghasilkan boron nitrida putih heksagonal bubuk yang dapat ditekan dan digunakan dalam berbagai aplikasi saat masih panas.
Agak menarik, produsen sering perlu menambahkan sesuatu seperti kalsium fosfat dalam proses ini. Senyawa Boron mencair pada suhu yang cukup rendah, sehingga mereka mengalir bersama sebelum bereaksi dengan baik.
Produksi boron nitrida kubik (c-BN)
Sintesis boron nitrida (c-BN) memerlukan tekanan dan suhu yang lebih tinggi. Proses ini biasanya dimulai dengan bubuk boron nitrida h-BN dan kemudian sebagai berikut:
-
Tambahkan katalis (biasanya logam alkali atau logam tanah alkali).
-
Penggunaan tekanan sangat tinggi (5 GPa, sekitar 50.000 kali tekanan normal)
-
Panaskan sekitar 1500 hingga 2000.
Dalam kondisi ekstrem seperti itu, struktur kristal enam arah berubah menjadi kristal kubik. Seperti grafit berubah menjadi berlian.
Metode Manufaktur Baru
Metode baru untuk memproduksi boron nitrida meliputi:
-
Metode pertumbuhan fase uap kimia (CVD) sangat cocok untuk produksi film tipis dan lapisan boron nitrida.
-
Metode uap bertekanan/kondensor untuk hasil yang lebih murni
-
Metode epitaksi untuk khusus aplikasi boron nitrida elektronik
Setiap metode memiliki keunggulan uniknya sendiri dalam mengendalikan kemurnian, ukuran kristal, dan struktur boron nitrida.
Sifat-sifat yang Membuat Boron Nitrida Istimewa
Boron nitrida memiliki sifat-sifat unik yang membuatnya semakin populer di berbagai industri. Mari kita lihat karakteristik boron nitrida:
Boron Nitrida Heksagonal (h-BN)
-
Penampilan: Bubuk boron nitrida berwarna putih dan licin (rasanya seperti bedak)
-
Struktur: pola heksagonal berlapis (seperti grafit, atom B dan N bergantian)
-
Kepadatan: Boron nitrida adalah senyawa padat yang memiliki massa jenis sekitar 2,1 g/cm³.
-
Konduktivitas termal boron nitrida: Menyalurkan panas dengan baik di sepanjang permukaan (hingga W/m·K)
-
Isolasi listrik boron nitrida: Isolator yang sangat baik dengan celah pita yang lebar (~ 5,9 ev).
-
Sifat cabul: gesekan rendah, terutama pada suhu tinggi
-
Ketahanan kimia: tidak bereaksi dengan sebagian besar asam dan logam cair
-
Stabilitas termal: Hingga 1000 ° C di udara dan hingga 2800 ° C dalam gas inert
Saya selalu bertanya-tanya. Struktur h-BN memiliki konduktivitas termal yang sangat tinggi tetapi memberikan isolasi listrik boron nitrida yang sangat baik.
Boron Nitrida Kubik (c-BN)
-
Penampakan Kristal kuning hingga hitam
-
Tampak seperti berlian pada tingkat atom struktural
-
Kepadatan boron nitrida sekitar 3,48 g/cm³, yang secara signifikan lebih tinggi daripada h-BN.
-
Kekerasan Sangat keras (Kekerasan Mohs ~ 9.5)
-
Konduktivitas termal boron nitrida: menyalurkan panas dengan baik ke segala arah (~ W/m·K)
-
Stabilitas kimia Suhu lebih tinggi dari berlian
-
Tahan oksidasi: tahan oksidasi hingga 1300 ° C
-
Sifat listrik Obat bius untuk membuat semikonduktor dimungkinkan
c-BN tidak bereaksi dengan material yang mengandung besi pada suhu tinggi, tetapi berlian bereaksi. Oleh karena itu, c-BN dapat membantu Anda memotong baja.
Untuk lebih memahami sifat-sifatnya, mari kita bandingkan bentuk-bentuk yang berbeda pada tabel di bawah ini:
Contoh Penggunaan Aktual
Anda mungkin terkejut bahwa ada banyak industri yang menggunakan boron nitrida. Berikut ini adalah tempat-tempat di mana boron nitrida digunakan:
Manufaktur dan Pengerjaan Logam
Kristal kubik boron nitrida dapat membantu industri mencapai hasil yang lebih baik dalam aplikasi berikut:
-
Alat pemotong untuk baja yang dipadamkan
-
Batu gerinda kuat untuk logam
-
Pemesinan presisi tinggi yang tidak bekerja dengan baik dengan berlian
Bentuk h-BN juga berguna:
-
Pelumas suhu tinggi dalam pencetakan logam
-
Penghilang Jamur pada Pengecoran
-
Wadah untuk peleburan logam
-
Pelapisan boron nitrida untuk perlindungan terhadap keausan dan korosi
Dalam Elektronika dan Manajemen Termal
Kedua bentuk boron nitrida dapat membantu perangkat elektronik Anda mendingin dan beroperasi secara normal:
-
Bahan antara komponen suhu tinggi dan penyerap panas memanfaatkan konduktivitas termal boron nitrida yang tinggi
-
Permukaan perangkat elektronik
-
Lapisan isolasi kapasitor menggunakan isolasi listrik boron nitrida yang sangat baik
-
Bahan untuk meredakan panas dari lampu LED
Boron nitrida heksagonal bekerja sangat baik sebagai dasar untuk graphene dan bahan elektronik dua dimensi lainnya, seperti skala atom datar.
Dalam Kosmetik (Mengejutkan, Bukan?)
Anehnya, boron nitrida dapat membantu produk kosmetik mencapai kinerja yang lebih baik. Bentuk h-BN banyak digunakan dalam tata rias karena:
-
Menciptakan rasa halus dan lembut
-
Membantu produk menyebar secara merata
-
Menyerap minyak dari kulit
-
Membuat garis-garis halus kurang terlihat
Lain kali saat Anda membeli alas bedak, perona mata, atau bedak wajah, periksa bahan-bahannya, mungkin Anda akan menemukan boron nitrida dalam kosmetik.
Dalam Aplikasi Dirgantara dan Suhu Tinggi
Boron nitrida Kemampuan untuk menangani suhu ekstrem dapat membantu aplikasi kedirgantaraan dalam:
-
Sistem yang melindungi pesawat ruang angkasa dari panas
-
Bagian-bagian dalam mesin roket
-
Isolasi yang bekerja pada suhu tinggi
-
Komponen dalam turbin gas
Di Bidang Penelitian
Para ilmuwan menemukan hal baru kegunaan boron nitrida di dalam:
-
Boron nitrida nanotube (seperti karbon nanotube tetapi lebih stabil)
-
Perangkat film tipis untuk komputasi kuantum
-
Implan medis yang kompatibel dengan tubuh
-
Jenis baterai dan penyimpanan energi baru
Arah Masa Depan
Penelitian boron nitrida yang sedang berlangsung dapat membantu industri mengembangkan aplikasi baru dalam:
-
Bahan 2D: Lembaran h-BN ultra tipis untuk elektronik generasi berikutnya
-
Nanotube Boron Nitrida: Versi BN dari karbon nanotube dengan pemrosesan panas yang unggul
-
Aplikasi Kuantum: Menggunakan h-BN untuk melindungi material kuantum
-
Aplikasi Biomedis: Pengiriman obat dan pencitraan medis Menjelajahi potensi BN dalam
-
Penyimpanan energi: komponen baterai dan kapasitor canggih
-
Boron nitrida tingkat lanjut teknologi pelapisan untuk meningkatkan perlindungan material.
Biaya produksi masih menjadi tantangan, terutama dengan boron nitrida kubikNamun, penelitian terus dilakukan untuk menemukan cara yang lebih efisien metode sintesis boron nitrida, yang mungkin membuat materi menakjubkan ini lebih mudah diakses.
Kesimpulan
Karena kombinasi propertinya yang unik, boron nitrida dapat membantu memecahkan tantangan di berbagai industri, mulai dari peralatan pemotong hingga kosmetik. Seiring dengan peningkatan produksi, material yang menakjubkan ini akan digunakan dalam lebih banyak produk.
Ingin mempelajari lebih lanjut tentang material canggih? Memeriksa artikel kami yang lain tentang keramik dan aplikasi industrinya.