Nitreto de boro hexagonal vs. nitreto de boro cúbico

Nitreto de boro Polimorfos são considerados uma grande promessa tecnológica e científica. Parte do motivo é sua incrível estabilidade de fase em altas temperaturas, cinética de crescimento, dureza extrema e resistência à pressão. Os dois polimorfos mais comuns são hexagonal (semelhante à grafite branca) e nitreto de boro cúbico (semelhante ao diamante).

Esta expedição de nitreto de boro hexagonal vs nitreto de boro cúbico explica as diferenças entre os polimorfos com base no seguinte:

Estrutura e Ligação

O nitreto de boro é um composto cerâmico sintetizado pela reação química de ácido bórico, nitrogênio e óxido de boro. Este guia começa intencionalmente analisando este composto para explicar melhor a estrutura e as propriedades de ligação de seus polimorfos.

O boro, para começar, é um membro do grupo III e parte do bloco p da tabela periódica. Ou seja, seu estado de oxidação é caracteristicamente muito estável. O boro forma compostos deficientes em elétrons, tornando-os catalisadores úteis.

Mas, neste caso, o boro forma vários compostos com o nitrogênio, resultando em ligações semelhantes às ligações carbono-carbono. Por exemplo, as ligações carbono-carbono e boro-nitrogênio são isoeletrônicas, o que significa que ambas as ligações têm o mesmo número de elétrons. Carbono, boro e nitrogênio também têm raios atômicos semelhantes.

O nitrogênio tem número atômico 7, o que significa que possui 7 prótons e 7 elétrons. O boro, por outro lado, possui 5 prótons e 5 elétrons. Os dois átomos se combinam para formar 12 prótons e 12 elétrons, assim como em uma ligação carbono-carbono, onde cada átomo possui 6 prótons e 6 elétrons.

O nitreto de boro possui o mesmo número de elétrons que os alótropos do carbono — grafite e diamante. Isso demonstra sua capacidade de formar diferentes estruturas cristalinas, um processo denominado polimorfismo. A diferença nas estruturas resulta das circunstâncias que envolvem as reações químicas, incluindo pressão, temperatura, etc.

É aqui que entram o nitreto de boro hexagonal e o nitreto de boro cúbico. O nitreto de boro wurtzita também é um polimorfo do nitreto de boro, mas é pouco utilizado. Os nitretos de boro hexagonal e cúbico são nomeados com base em suas estruturas. Um forma camadas hexagonais, enquanto o outro forma camadas cúbicas tridimensionais.

O nitreto de boro hexagonal (h-BN) é análogo ao grafite branco, enquanto o nitreto de boro cúbico se compara ao diamante. O h-BN forma camadas que se sobrepõem, porém fracamente unidas, como no grafite. As ligações fracas das camadas conferem ao h-BN uma forma característica, macia, porém estável, que o torna um aditivo valioso em cosméticos. Essa característica também contribui para seu uso industrial como lubrificante.

O nitreto de boro cúbico (c-BN), por outro lado, forma uma estrutura covalente gigante em todas as direções, assemelhando-se ao arranjo tetraédrico do diamante. É o segundo material mais duro depois do diamante. Cada átomo de boro se liga a quatro átomos de nitrogênio. Da mesma forma, cada átomo de nitrogênio se liga a quatro átomos de boro para formar fortes ligações covalentes.

As fortes ligações que unem os átomos e as fortes forças que unem as camadas conferem ao nitreto cúbico de boro uma estrutura rígida. Por isso, é utilizado como ferramenta de corte, proporcionando um desempenho superior ao das ferramentas de corte tradicionais. O c-BN também está entre os materiais menos reativos, daí seu uso como isolante ou agente de revestimento.

Estabilidade e Resistência à Pressão

A estrutura atômica do nitreto de boro fornece aos químicos um composto inestimável para uso industrial. Por exemplo, as camadas de h-BN compreendem uma rede de anéis (BN)3 formando ligações covalentes. Cada camada é ligada à outra por forças de van der Waals, insuficientes para impedir o deslizamento. Portanto, é um lubrificante sólido eficiente, um elemento-chave em cimento odontológico, cosméticos (isto é, produtos para a pele e maquiagem) e tintas.

O nitreto cúbico de boro é bem diferente, sendo aplicado principalmente como abrasivo. O polimorfo possui as segundas ligações mais fortes, tornando-o incrivelmente resistente ao desgaste. Essa característica contribui para sua tenacidade sob condições de alta pressão e temperatura. Além disso, é insolúvel em níquel, ferro e outras ligas sob condições de alta temperatura. O diamante não possui essa propriedade e se dissolve.

O nitreto de boro hexagonal também apresenta baixa molhabilidade em temperaturas de até 900 °C. O material também pode ser aplicado na produção de ligas, resinas, borrachas, cerâmicas, etc., tornando-os inerentemente lubrificantes.

Condutividade térmica

O nitreto de boro cúbico tem uma maior condutividade térmica comparado ao h-BN. Isso se explica por suas propriedades simétricas e isotrópicas. O h-BN também possui um número maior de átomos em sua célula unitária, o que prejudica sua condutividade térmica.

Isso, no entanto, não exclui o nitreto de boro hexagonal. Sua condutividade térmica é maior do que a da maioria dos materiais e cerâmicas – 300-2.000 W m² K² à temperatura ambiente. Já sua contraparte cúbica tem uma impressionante condutividade térmica de 1.300 W/m² K².

Dessa forma, o BN hexagonal é aplicado em metamateriais e metadispositivos, enquanto a inércia química e as características ópticas do c-BN são aproveitadas em indústrias de gerenciamento térmico.

O gráfico abaixo mostra a distinção direta entre nitreto de boro hexagonal e cúbico com base em características particulares:

Conclusão

Embora o nitreto de boro hexagonal e o cúbico apresentem algumas semelhanças, cada um possui uma propriedade única que molda sua influência industrial. A principal diferença é a natureza macia, porém estável, do h-BN e a dureza do c-BN. É recomendável optar pelo h-BN quando se precisa de um aditivo cosmético e pelo c-BN quando se busca um abrasivo resiliente.