Bor-Nitrür (BN) Nanomateryaller

Bor nitrür (BN), 1:1 oranında bor ve nitrojen atomlarından oluşan çok yönlü bir bileşiktir. Her biri benzersiz yapısal, elektronik ve mekanik özellikler sergileyen çeşitli polimorfik formlarda karakterize edilebilir. Bu yapılar arasında en kararlı olan altıgen bor nitrür (h-BN)'dür. h-BN yapısal olarak grafite benzemektedir ve bor ve nitrojen atomlarının altıgen bir kafes şeklinde düzenlendiği katmanlı bir yapıya sâhiptir. h-BN'deki katmanlar, zayıf van der Waals kuvvetleri tarafından bir arada tutulurlar ve bu tabakalar birbirleri üzerinde kolayca kayabilirler. Bu özellik geleneksel yağlayıcıların başarısız olduğu yüksek sıcaklıklarda h-BN'in mükemmel yağlama özelliklerine katkıda bulunur. Diğer BN yapısı, kübik bor nitrür (c-BN)'dir. Oldukça sert olan bu yapı elmastan sonra ikinci sırada gelir. c-BN, elmasınkine benzer bir çinko-blend kristal yapısında bulunur. Elmastan farklı olarak c-BN, özellikle oksidatif ortamlarda üstün kimyâsal ve termal stabiliteye sâhiptir. c-BN, kesici takımlarda ve aşındırıcılarda, özellikle de elmasın kimyâsal olarak reaksiyona gireceği ve bozunacağı demirli malzemelerin işlenmesinde kullanılır. Wurtzite bor nitrür (w-BN), çinko sülfürün wurtzit formuna benzer altıgen bir yapıya sâhiptir ve daha az yaygındır. w-BN'nin c-BN'den bile daha sert olduğu bilinmektedir.

BN yapıları, yüksek bant aralığıyla da dikkat çekicidir. Ayrıca, mekanik mukāvemetleri, termal iletkenlikleri ve kimyâsal stabiliteleri sebebiyle özellikle nano-BN yapıları son zamanlarda oldukça dikkat çekici olup, üzerine birçok araştırma da yapılmaktadır.

BN nano yapılar, mekanik, termal ve elektriksel özelliklerin benzersiz birleşiminden dolayı büyük ilgi toplamış ve bu da onları çeşitli ileri uygulamalar için son derece umut verici hâle getirmiştir. BN nanoyapılar da kendi içerisinde oldukça farklı yapılara sâhiptirler ve her biri, kendine has özellikleri sebebiyle oldukça ilgi çekmektedir. Söz konusu bu yapılar, nano tüpler, nanotabakalar, nanoribbonlar, nanokafesler, nanosoğan yapıları, çok duvarlı nanotüpler olmak üzere çeşitlendirilebilir (Şekil 1). Günümüze kadar bilinen nano yapılar aşağıda liste olarak sunulmuştur.

 

Şekil 1. Nano BN yapıları.

·       Bor Nitrür Nanotüpleri (BNNT'ler): Karbon nanotüplere benzeyen yapılar olup, altıgen kafes yapısına sâhip silindirik tüplerdir. Kendi içinde tek duvarlı (SW/BNNT'ler) ve çok duvarlı (MW/BNNT'ler) BN nanotüpler olmak üzere ikiye ayrılır.

·       Bor Nitrür Nanotabakaları (BNNS'ler): İki boyutlu altıgen BN yapıları olup, grafene benzemektedir. Grafene göre üstün yalıtım özelliğine sâhiptir.

·       Bor Nitrür Nanokafesleri: Karbon fullerenlerine benzer yapıya sâhip olup içi boş, çok yüzlü yapılardır.

·       Bor Nitrür Nano Soğanlar: Bir soğanın katmanlarına benzer bir yapıda eşmerkezli, küresel altıgen BN katmanlarından oluşur.

·       Bor Nitrür Nanoribonlar (BNNR'ler)

·       Bor Nitrür Nanoflakes: BN nano tabakalardan türetilen küçük, ince BN pullarıdır.

·       Bor Nitrür Nanokozalar: BN nanokafeslerine benzeyen ancak genellikle daha büyük ve daha karmaşık, çok katmanlı kabuklara sâhip yapılar.

·       Bor Nitrür Nanotelleri: Yüksek en-boy oranına sâhip tek boyutlu nanoyapılardır.

·       Bor Nitrür Kuantum Noktaları (BNQD'ler): Biyogörüntüleme ve optoelektronikte kullanılan, kuantum sınırlama etkilerine sâhip küçük, sıfır boyutlu yapılardır.

Yukarıda ifâde edilen bu yapıların hepsi sentezlenebilmekte ve farklı uygulama alanlarında özellikleri araştırılmaktadır. Yukarıda ifâde edilen bu nanoyapılardan bazılarına âit geniş bilgiler aşağıda sunulmuştur.

Bor Nitrür Nanotüp (BNNT)

Bor nitrür nanotüpleri, silindirik h-BN tabakalarından oluşan karbon nanotüplere (CNT'ler) yapısal olarak benzerdir (Şekil 2). Ancak BNNT'ler elektronik özellikleri bakımından CNT'lerden temel olarak farklıdır. CNT'ler kiralitelerine bağlı olarak metalik veya yarı iletken olabilirken, BNNT'ler kiralitelerine veya çaplarına bakılmaksızın yaklaşık 5,5 eV bant aralığına sâhip geniş bant aralıklı yarı iletkenlerdir. Bu özellik, BNNT'leri, yüksek ısı iletkenliği ve elektrik yalıtımının gerekli olduğu nanoelektronikteki potansiyel uygulamalara sâhip mükemmel elektrik yalıtkanları hâline getirir. BNNT'ler ayrıca, oksitleyici bir atmosferde 1000°C'yi aşan sıcaklıklarda yapılarını koruyarak olağanüstü termal stabiliteye ve kimyâsal inertliğe sâhiptir. Bu özellikler BNNT'leri yüksek sıcaklık uygulamalarına ve kompozitlerde takviye malzemesi olarak uygun hâle getirir. Ek olarak BNNT'ler, yüksek mukāvemet ve esneklikleriyle birleştiğinde nanoelektromekanik sistemlerde (NEMS) potansiyel kullanımlar sunan piezoelektrik özellikler sergiler.

 

Şekil 2. CNT (a) ve BNNT (b) yapıları.

Bor Nitrür Nanotabakalar (BNNS'ler)

Bor nitrür nano tabakaları, tek veya birkaç h-BN katmanından oluşan grafenin iki boyutlu analoglarıdır. Bu nano tabakalar, h-BN'nin yüksek termal iletkenlik, elektrik yalıtımı ve kimyâsal stabilite gibi kendine özgü özelliklerini korur, ancak iki boyutlu doğaları nedeniyle gelişmiş yüzey alanına sâhiplerdir. BNNS'ler, elektrik yalıtımından ödün vermeden termal iletkenliği arttırmak için polimer matrislere dâhil edilebildikleri termal yönetim uygulamaları için özellikle ilgi çekicidir. Ayrıca, geniş bant aralıkları ve oksidasyona karşı güçlü dirençleri sebebiyle BNNS'ler, kimyâsal olarak inert ve termal olarak kararlı bir platform sağlayan grafen bazlı elektronikler için substratlar olarak araştırılmaktadır. BNNS'ler ayrıca, grafeninkiyle karşılaştırılabilir bir Young modülü ile mükemmel mekanik özellikler sergilemekte ve bu da onları kompozit malzemelerde ek materyal olarak kullanılabilir hâle getirmektedir.

Bor Nitrür Nanoribonlar (BNNR'ler)

Bor nitrür nanoribonların, genişlikleri birkaç nanometreden birkaç mikrometreye kadar değişebilmektedir. BNNT'ler ve BNNS'ler gibi BNNR'ler de geniş bir bant aralığına sâhiptir ve elektriksel olarak yalıtkandır. Ancak tek boyutlu yapıları, elektronik davranışlarını etkileyebilecek kenar durumları yapıya farklı elektronik özellikler kazandırır. BNNR'ler, nanoelektronikteki potansiyel uygulamalar için, özellikle nano ölçekli cihazlardaki dielektrik malzemeler olarak araştırılmaktadır. Ek olarak BNNR'ler, BNNT'lere benzer piezoelektrik özellikler sergilemekte ve bu da onları NEMS uygulamaları için uygun hâle getirmektedir.

Bor Nitrür Nano Kafesleri

BN nanokafesleri, üç boyutlu çokyüzlü bir biçimde düzenlenmiş bor ve nitrojen atomlarından oluşan içi boş, kafes benzeri yapılardır. Bu nanokafesler yapısal olarak karbon fullerenlere benzer ve karbon atomlarının yerini bor ve azot atomları alır. En yaygın BN nanokafesleri, bor ve azot atomlarının 12 beşgen ve 20 altıgen yüz oluşturduğu ikosahedral geometriye dayanmaktadır. BN nanokafesleri olağanüstü kimyâsal stabilite ve oksidasyona karşı direnç göstererek onları zorlu ortamlarda kullanıma uygun hâle getirir. Geniş yüzey alanları ve içi boş iç kısımları nedeniyle BN nanokafesleri, terapötik ajanları kapsülleyebilecekleri ve onları hedef bölgede salınana kadar bozulmadan koruyabilecekleri, ilaç dağıtımında potansiyel uygulamalara sâhiptir.

Bor Nitrür Soğan

BN fulleren benzeri nanopartiküller olarak da bilinen BN soğanları, eşmerkezli, küresel altıgen bor nitrür katmanlarıdır. Bu yapılar bir soğanın katmanlarına benzer; her katman h-BN'nin kapalı bir kabuğudur. BN soğanlarının boyutları, eşmerkezli katmanların sayısına bağlı olarak tipik olarak birkaç nanometreden onlarca nanometreye kadar değişir. BN soğanları, olağanüstü termal stabilite ve oksidasyona karşı direnç sergiler; bu da onların, geleneksel yağlayıcıların başarısız olduğu yüksek sıcaklıktaki ortamlarda yağlayıcı olmasını sağlar. Ayrıca BN soğanları, ilaçları veya diğer küçük molekülleri kapsüllemek ve serbest bırakmak için nanokapsüller gibi davranabilir. Eşsiz yapıları aynı zamanda mekanik sistemlerdeki sürtünmeyi ve aşınmayı azaltabilecekleri tribolojideki potansiyel uygulamaları da sağlar.

Çok Duvarlı Bor Nitrür Nanotüpler (MWBNNT'ler)

Çok duvarlı bor nitrür nanotüpleri, çok duvarlı karbon nanotüplerin (MWCNT'ler) yapısına benzer şekilde, çok sayıda eşmerkezli altıgen bor nitrür silindirinden oluşur. MWBNNT'lerdeki her silindirik duvar, bitişik duvarların van der Waals kuvvetleriyle ayrıldığı, sarılmış bir h-BN tabakasıdır. Duvarların sayısı değişebilir, bu da farklı çap ve özelliklere sâhip tüplerin ortaya çıkmasına sebep olur. MWBNNT'ler geniş bir bant aralığı (~5,5 eV) sergiler ve bu da onlara yüksek termal iletkenliğe sâhip mükemmel elektriksel yalıtkanlığı sağlar. Bu özellikler, mekanik dayanıklılıklarıyla birleştiğinde MWBNNT'leri gelişmiş kompozitlerde, termal malzemelerde ve polimerlerde ek ajan olarak kullanıma uygun hâle getirir. Ek olarak, MWBNNT'ler belirli özellikler kazandırmak veya kompozit uygulamalardaki diğer malzemelerle uyumluluklarını geliştirmek için kimyâsal olarak işlevselleştirilebilir.

Yukarı bazı BN nano yapılar hakkında bilgi verilmiştir. Bu şekilde tüm nano BN yapılar hakkında daha detaylı da bilgi verilebilir. Lâkin söz konusu bu moleküllerin genel bilgilerinden ziyâde bunların sentezlenebilmesi daha önemlidir. Bu yapıların sentezlenmesi, uygulama alanlarının belirlenmesi ve katma değeri yüksek teknolojik ürünlerin elde edilebilmesi daha önem arz etmektedir. Söz konusu bu moleküllerin sentezlenmesi, genel sentez yöntemlerine göre biraz daha farklılık göstermektedir ve aşılması beklenen daha çok zorlukları vardır. Aşağıda buna dâir bilgiler verilmiştir.

1.     Kimyâsal Buhar Biriktirme (CVD)

CVD, BN nanoyapılarını, özellikle BN nanotüplerini (BNNT'ler) ve nano tabakalarını sentezlemek için en yaygın kullanılan yöntemlerden biridir. Bu yöntemde, bor içeren bileşikler (örneğin bor oksit, bor triklorür) ve azot içeren bileşikler (örneğin amonyak, nitrojen gazı) gibi gaz hâlindeki öncüler, yüksek sıcaklıktaki bir fırına verilir. Öncüler bir substrat üzerinde reaksiyona girerek BN'nin istenen nanoyapı formunda birikmesine yol açar. CVD avantajlıdır çünkü BN nanoyapılarının morfolojisi, saflığı ve kristal kalitesi üzerinde hassas kontrol sağlar.

2.     Ark Boşalması

Öncelikle BN nanotüpleri ve BN nanokafeslerinin sentezi için kullanılan yüksek sıcaklıkta bir yöntemdir. Bu işlemde azot veya amonyak atmosferinde iki bor elektrotu arasından yüksek bir akım geçirilerek bir plazma oluşturulur. Plazma bölgesindeki yüksek sıcaklıklar BN nanoyapılarının oluşumunu teşvîk eder. Ark boşalımında, ürünlerin boyutunu ve saflığını kontrol etmek zor olsa da, büyük miktarlarda BN nanotüpleri ve fullerenler üretmek için özellikle etkilidir.

3.     Bilyalı Öğütme

Bilyalı öğütme, BN nano tabakaları ve amorf bor nitrür (a-BN) üretmek için kullanılan mekanik bir yöntemdir. Bu yöntemde bor ve azot öncülleri, öğütücüler ile yüksek enerjili çarpışmalara mâruz bırakılır, bu da tozların atomik ölçekte kırılmasına ve yeniden bağlanmasına neden olur ve nanoyapılı BN oluşumuna yol açar. Bu yöntem, büyük miktarlarda BN nano tabakalarının uygun mâliyetli bir şekilde üretilmesi için özellikle kullanışlıdır, ancak elde edilen malzeme daha fazla saflaştırma ve yapısal iyileştirme gerektirir.

4.     Hidrotermal Sentez

Hidrotermal sentez, BN nanoyapılarını oluşturmak için yüksek basınçlı, yüksek sıcaklıktaki sulu çözeltilerin kullanımını içerir. Bu yöntem, CVD veya ark boşalımı gibi diğer yöntemlere kıyasla nisbeten daha düşük sıcaklıklarda BN nano tabakaları ve nano kafesleri üretmek için özellikle avantajlıdır. Hidrotermal sentez, BN yapılarının kristali ve morfolojisi üzerinde daha hassas bir yöntemdir.

5.     Lazer Ablasyonu

Lazer ablasyon, azot atmosferinde bor içeren bir hedef malzemeyi ışınlayarak BN nanotüpleri ve diğer nanoyapıları üretmek için kullanılan bir yöntemdir. Lazer darbeleri hedefin yüzeyinde aşırı sıcaklıklar oluşturarak BN nanoyapılarının buharlaşmasına ve ardından yoğunlaşmasına yol açar. Bu yöntem, kontrollü çaplara ve uzunluklara sâhip yüksek kaliteli BN nanotüpler üretmek için oldukça etkilidir.

Yukarıda nano BN yapıların sentezlenebilmesi için yöntemler genel olarak ifâde edilmiştir. Söz konusu bu yapılar günümüzde sentezlenebilse de hâlen uygulama alanlarının belirlenebilmesi için gerekli araştırmalar tamamlanamamıştır. Özellikle çevre kirliliğinin önlenmesinde, hidrojen enerjisinin depolanması ve taşınmasında, ilaç taşıyıcı olarak kullanılıp kullanılmadığının öngörülmesinde bu yapılardan beklentiler vardır. Bu yüzden ülkemizde var olan bor mādeninin bu amaçlar doğrultusunda da kullanılarak katma değeri yüksek ürünlerin elde edilmesi oldukça önemlidir.

Kaynaklar

Ataca, C., Sahin, H., & Ciraci, S. (2012). Stable, single-layer MX2 transition-metal oxides and dichalcogenides in a honeycomb-like structure. The Journal of Physical Chemistry C, 116(16), 8983-8999.

Chen, Y., Zou, J., Campbell, S. J., & Le Caer, G. (2004). Boron nitride nanotubes: Pronounced resistance to oxidation. Applied physics letters, 84(13), 2430-2432.

Dean, C. R., Young, A. F., Meric, I., Lee, C., Wang, L., Sorgenfrei, S., ... & Hone, J. (2010). Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics. Nature nanotechnology, 5(10), 722-726.

Geick, R., Perry, C. H., & Rupprecht, G. J. P. R. (1966). Normal modes in hexagonal boron nitride. Physical Review, 146(2), 543.

Pakdel, A., Zhi, C., Bando, Y., & Golberg, D. (2012). Low-dimensional boron nitride nanomaterials. Materials Today, 15(6), 256-265.

Rubio, A., Corkill, J. L., & Cohen, M. L. (1994). Theory of graphitic boron nitride nanotubes. Physical Review B, 49(7), 5081.

Solozhenko, V. L., Andrault, D., Fiquet, G., Mezouar, M., & Rubie, D. C. (2001). "Synthesis of superhard cubic boron nitride." Applied Physics Letters, 78, 1385-1387.

Wentorf, R. H. (1957). Cubic form of boron nitride. The Journal of Chemical Physics, 26(4), 956-956.

Zhi, C., Bando, Y., Tang, C., & Golberg, D. (2010). "Engineering of Electronic Structure of Boron-Nitride Nanotubes by Covalent Functionalization." Journal of the American Chemical Society, Volume 132, pages 2583-2587.

Züttel, A. (2004). Hydrogen storage methods. Naturwissenschaften, 91, 157-172.

Eylül 2024, sayfa no: 74-75-76-77-78