六方晶窒化ホウ素と立方晶窒化ホウ素

窒化ホウ素 多形は、技術的および科学的に大きな可能性を秘めていると考えられています。その理由の一つは、高温における驚異的な相安定性、成長速度、極めて高い硬度、そして耐圧性です。最も一般的な多形は、六方晶系（白色グラファイト状）と立方晶系窒化ホウ素（ダイヤモンド状）の2つです。

この六方晶窒化ホウ素と立方晶窒化ホウ素の比較調査では、次の点に基づいて多形の違いを説明します。

構造と結合

窒化ホウ素は、ホウ酸、窒素、酸化ホウ素を化学反応させて合成されるセラミック化合物です。このガイドでは、この化合物の多形構造と結合特性をより深く理解するために、この化合物をまず取り上げます。

まず、ホウ素は周期表のIII族、pブロックに属します。つまり、その酸化状態は非常に安定しているという特徴があります。ホウ素は電子が不足した化合物を形成するため、有用な触媒となります。

しかし、この場合、ホウ素は窒素と複数の化合物を形成し、炭素-炭素結合に似た結合を形成します。例えば、炭素-炭素結合とホウ素-窒素結合は等電子結合であり、両方の結合の電子数は同じです。また、炭素、ホウ素、窒素は原子半径も似ています。

窒素は原子番号7で、7個の陽子と7個の電子を持っています。一方、ホウ素は5個の陽子と5個の電子を持っています。この2つの原子は結合して12個の陽子と12個の電子を形成します。これは、各原子が6個の陽子と6個の電子を持つ炭素-炭素結合と同じです。

窒化ホウ素は、炭素同素体であるグラファイトやダイヤモンドと同じ数の電子を持っています。これは、窒化ホウ素が様々な結晶構造を形成する能力を持っていることを示しています。このプロセスは、 多態性構造の違いは、圧力、温度など、化学反応を取り巻く状況によって生じます。

ここで六方晶窒化ホウ素と立方晶窒化ホウ素が登場します。ウルツ鉱型窒化ホウ素も窒化ホウ素の多形ですが、ほとんど使用されていません。六方晶窒化ホウ素と立方晶窒化ホウ素は、その構造に基づいて命名されています。六方晶窒化ホウ素は六角形の層を形成し、立方晶窒化ホウ素は三次元の立方晶層を形成します。

六方晶窒化ホウ素（h-BN）は白色グラファイトに類似し、立方晶窒化ホウ素はダイヤモンドに似ています。h-BNは互いに重なり合う層を形成しますが、グラファイトのように弱い結合をしています。この層の弱い結合により、h-BNは柔らかくも安定した特徴的な形状をしており、化粧品の貴重な添加剤となっています。この特性は、潤滑剤としての工業用途にも寄与しています。

一方、立方晶窒化ホウ素（c-BN）は、ダイヤモンドの四面体配列に似た、あらゆる方向に巨大な共有結合構造を形成します。ダイヤモンドに次いで硬い物質です。ホウ素原子1つにつき4つの窒素原子が結合し、同様に窒素原子1つにつき4つのホウ素原子が結合して、強力な共有結合を形成します。

原子間の強い結合と層間の強い結合力により、立方晶窒化ホウ素は硬い構造を形成します。そのため、c-BNは切削工具として使用され、従来の切削工具よりも高い出力性能を発揮します。また、c-BNは最も反応性が低い材料の一つであるため、絶縁体やコーティング剤としても使用されます。

安定性と耐圧性

窒化ホウ素の原子構造は、化学者に産業用途の貴重な化合物を提供します。例えば、h-BN層は(BN)3環のネットワークで構成され、共有結合を形成しています。各層はファンデルワールス力によって互いに結合していますが、滑りを阻止するほど強くはありません。そのため、h-BNは効率的な固体潤滑剤であり、歯科用セメント、化粧品（スキンケア製品やメイクアップ製品）、塗料の主要成分となっています。

立方晶窒化ホウ素は全く異なり、主に研磨剤として使用されます。この多形は2番目に強い結合を持つため、非常に高い耐摩耗性を備えています。この特性は、高圧・高温条件下での靭性に寄与しています。さらに、高温条件下ではニッケル、鉄、その他の合金に不溶性です。ダイヤモンドはこの特性に劣り、溶解してしまいます。

六方晶窒化ホウ素は、900℃の高温まで濡れ性が低いという欠点があります。この材料は、合金、樹脂、ゴム、セラミックなどの製造にも利用でき、本質的に潤滑性があります。

熱伝導率

立方晶窒化ホウ素は、 熱伝導率 h-BNと比較して、熱伝導率は低いです。これは、h-BNの対称性と等方性によるものです。また、h-BNは単位格子内の原子数が多いため、熱伝導率が低くなります。

しかし、六方晶窒化ホウ素は例外ではありません。その熱伝導率は、ほとんどの材料やセラミックよりも高く、室温で300～2,000 W/mKです。一方、立方晶窒化ホウ素の熱伝導率はなんと1300 W/mKです。

そのため、六方晶BNはメタマテリアルやメタデバイスに応用され、c-BNの化学的不活性と光学特性は熱管理産業で活用されています。

以下の表は、特定の特性に基づいて六方晶窒化ホウ素と立方晶窒化ホウ素を直接区別したものです。

結論

六方晶窒化ホウ素と立方晶窒化ホウ素にはいくつかの類似点がありますが、それぞれ独自の特性を持ち、それが産業への影響を形作っています。主な違いは、h-BNは柔らかくも安定した性質を持ち、c-BNは硬いことです。化粧品添加剤が必要な場合はh-BN、弾力性のある研磨剤が必要な場合はc-BNを選ぶとよいでしょう。