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化学では構造がすべてである。同じ化学式を持つ化合物でも、構成する分子の配置によって異なる性質を持つことがある。また、化学式は違っても分子配列が似ている化合物は、似たような性質を持つことがある。

グラフェンと六方晶窒化ホウ素と呼ばれる窒化ホウ素は、後者のグループに属する。グラフェンは炭素原子で構成されている。窒化ホウ素(BN)は、ホウ素原子と窒素原子で構成されている。多くの化学者が六方晶窒化ホウ素を “ホワイト・グラフェン”と呼ぶほどである。

炭素ベースのグラフェンには多くの有用な特性がある。薄いのに強度があり、熱や電気をよく通すので、電子機器に最適なのだ。

同様に、六方晶窒化ホウ素もグラフェンに似た多くの特性を持っており、コンピューター、スマートフォン、LEDだけでなく、生物医学イメージングや薬物送達を改善する可能性がある。研究者たちは長年にわたり、このタイプの窒化ホウ素を研究してきた

しかし、この化合物の有用な形態は六方晶窒化ホウ素だけではない。

材料エンジニアとして、私たちの研究チームは立方晶窒化ホウ素と呼ばれる別のタイプの窒化ホウ素を調査してきました。私たちは、六方晶窒化ホウ素の特性と立方晶窒化ホウ素を組み合わせることで、さらに有用な用途への扉が開かれるかどうかを知りたいのです。

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左が立方晶窒化ホウ素、右が六方晶窒化ホウ素。(Credit: Oddball/Wikimedia CommonsCC BY-NC-SA)

六角形と立方体の比較

六方晶窒化ホウ素(h-BN)は、ご想像の通り、窒化ホウ素分子が平らな六角形の形に並んだものである。グラフェンのようにハニカム状に見える。立方晶窒化ホウ素(c-BN)は三次元格子構造を持ち、分子レベルではダイヤモンドのように見える。

h-BNは薄くて柔らかく、シルクのような質感を出すために化粧品に使われる。また、極端な高温下でも溶けたり劣化したりしないため、電子機器やその他の用途にも有用である。科学者の中には、宇宙船の放射線シールドに使えると予測する者もいる。

c-BNは硬くて耐性がある。製造業では切削工具やドリルの材料として使われており、高温下でも鋭い切れ味を保つことができる。また、電子機器の放熱にも役立つ。

h-BNとc-BNは異なるように見えるかもしれないが、私たちの研究では、両者を合わせると、どちらか一方だけよりもさらに大きな可能性を秘めていることがわかった。

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窒化ホウ素の2つの形態にはいくつかの類似点と相違点があるが、それらを組み合わせることで、さまざまな科学的応用が可能な物質を作り出すことができる。(Credit: Abhijit Biswas)

どちらのタイプの窒化ホウ素も熱を伝導し、電気絶縁が可能だが、一方のh-BNは柔らかく、もう一方のc-BNは硬い。そこで私たちは、この2つの窒化ホウ素を一緒に使うことで、興味深い特性を持つ材料を作ることができないかと考えた。

たとえば、両者の異なる挙動を組み合わせることで、高温構造用途に有効なコーティング材料ができるかもしれない。c-BNは表面に強力な接着性を与え、h-BNの潤滑特性は摩耗や引き裂きに抵抗する。両者を組み合わせることで、材料の過熱を防ぐことができる。

窒化ホウ素の製造

この種の材料は天然には存在しないため、科学者は研究室で作らなければならない。一般的に、高品質のc-BNを合成するのは困難であるのに対し、h-BNは気相堆積法と呼ばれる方法を使えば、比較的簡単に高品質の膜を作ることができる。

気相成長法では、ホウ素と窒素を含む材料を蒸発するまで加熱する。蒸発した分子は表面に蒸着され、冷えて結合し、BNの薄膜を形成する。

私たちの研究チームは、気相蒸着と同様のプロセスを使ってh-BNとc-BNの組み合わせに取り組んできたが、2つの粉末を混ぜ合わせることもできる。目的は、熱的、機械的、電子的特性を微調整できるように、h-BNとc-BNを適切に混ぜ合わせた材料を作ることである。

私たちのチームは、この2種類のBNを組み合わせた複合物質が、さまざまな応用の可能性を秘めていることを発見した。この物質にレーザー光を当てると、明るく点滅する。研究者たちはこの性質を利用して、ディスプレイ・スクリーンを作ったり、医療分野における放射線治療を改善したりすることができるだろう。

我々はまた、複合材料の熱伝導性を調整できることも発見した。これは、エンジニアが熱を管理する機械にこのBN複合材を使用できることを意味する。次のステップは、h-BNとc-BNの複合材料でできた大型プレートの製造に挑戦することだ。精密に行えば、機械的、熱的、光学的特性を特定の用途に合わせて調整することができる。

エレクトロニクスの分野では、h-BNはグラフェンと並ぶ誘電体、あるいは絶縁体として、特定の低電力エレクトロニクスで機能する可能性がある。誘電体としてh-BNは、エレクトロニクスの効率的な動作と電荷の維持に役立つだろう。

c-BNは、ダイヤモンドと並んで超広帯域バンドギャップ材料として機能し、電子機器をより高出力で動作させることができる。ダイヤモンドとc-BNはともに熱伝導に優れており、一緒に使うことで、余分な熱を大量に発生するハイパワーデバイスを冷却することができる。

H-BNとc-BNを別々に使えば、さまざまな状況で非常に優れた性能を発揮するエレクトロニクスにつながる可能性がある。

我々のBN複合材料は、ヒートスプレッダや絶縁体を改善し、スーパーキャパシタ(急速充電エネルギー貯蔵装置)や充電式バッテリーのようなエネルギー貯蔵装置で機能する可能性がある。

我々はBNの特性を研究し続け、潤滑剤、コーティング剤、耐摩耗性表面にどのように利用できるかを研究していく。生産量を拡大する方法を開発することは、材料科学からエレクトロニクス、さらには環境科学に至るまで、BNの応用を探求するための鍵となるだろう。


本記事は、Pulickel Ajayan氏とAbhijit Biswas氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Combining two types of molecular boron nitride could create a hybrid material used in faster, more powerful electronics」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。

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