¿Qué es el nitruro de boro?
El nitruro de boro es un compuesto cerámico de boro y nitrógeno, que exhibe propiedades únicas, como su elevada resistencia térmica, conductividad térmica y eléctrica, y su naturaleza químicamente inerte. Su fórmula química es BN. Se emplea, por ejemplo, para fabricar crisoles de laboratorio.
El nitruro de boro (BN) es resistente a muchos ácidos, pero tiene cierta debilidad a los ataques del ácido fluorhídrico y por las bases fundidas.
Se obtiene en diversas estructuras cristalinas, de las cuales las más importantes son la hexagonal y la cúbica. La estructura hexagonal se asemeja al grafito y es resbaladiza, por lo que se emplea como lubricante.
La estructura cúbica es casi tan dura como el diamante y se utiliza para fabricar herramientas cortantes y mejorar la dureza de otros materiales.
Con el nitruro de boro se pueden fabricar tubos microscópicos (extremadamente delgados) llamados nanotubos, que tienen aplicaciones médicas, como para transportar dentro del organismo y liberar medicinas contra tumores de cáncer.
Estructura del nitruro de boro
Es un compuesto donde los átomos de boro y nitrógeno se enlazan de forma covalente con un enlace triple.
En fase sólida, el BN está formado por un número igual de átomos de boro y nitrógeno en forma de anillos de 6 miembros.
El BN existe en cuatro formas cristalinas: hexagonal (h-BN), similar al grafito, cúbica (c-BN), similar al diamante, romboédrico (r-BN) y wurtzita (w-BN).
La estructura del h-BN es similar a la del grafito: posee planos de anillos hexagonales que tienen átomos de boro y nitrógeno que se alternan.
Entre los planos del h-BN existe una gran distancia, lo que sugiere que están unidos solo mediante fuerzas de van der Waals, unas fuerzas de atracción muy débiles, y los planos se pueden deslizar fácilmente uno sobre otro. Por esta razón, el h-BN es untuoso al tacto.
La estructura del BN cúbico c-BN es semejante al diamante.
Propiedades del nitruro de boro
- Estado físico. Sólido blanco grasoso o resbaladizo al tacto.
- Peso molecular. 24,82 g/mol.
- Punto de fusión. Sublima a aproximadamente 3000 °C.
- Densidad. BN hexagonal = 2,25 g/cm3. BN cúbico = 3,47 g/cm3
- Solubilidad. Ligeramente soluble en alcohol caliente.
- Propiedades químicas. Debido al fuerte enlace entre el nitrógeno y el boro, el nitruro de boro posee una alta resistencia al ataque químico y es muy estable. Es insoluble en ácidos como ácido clorhídrico HCl, ácido nítrico HNO3 y ácido sulfúrico H2SO4. Pero es soluble en bases fundidas como hidróxido de litio LiOH, hidróxido de potasio KOH e hidróxido de sodio NaOH. No reacciona con la mayoría de metales, vidrios o sales. En ocasiones reacciona con el ácido fosfórico H3PO4. Puede resistir la oxidación a altas temperaturas. El BN es estable al aire, pero el agua lo hidroliza lentamente. El BN es atacado por el gas flúor F2 y por el ácido fluorhídrico HF.
- Otras propiedades físicas. Tiene una alta conductividad térmica, alta estabilidad térmica y una alta resistividad eléctrica, es decir, es un buen aislante de la electricidad. Tiene un área superficial alta. El h-BN (BN hexagonal) es un sólido untuoso al tacto, semejante al grafito. Al calentar el h-BN a temperatura y presión elevadas se convierte en la forma cúbica c-BN, extremadamente dura. Según algunas fuentes es capaz de rayar al diamante. Los materiales basados en BN poseen capacidad de sorción de contaminantes inorgánicos (como iones de metales pesados) y contaminantes orgánicos (como tintes y moléculas de fármacos). Sorción significa que interacciona con ellos y los puede adsorber o absorber.
Obtención del nitruro de boro
El polvo de h-BN se prepara mediante la reacción entre el trióxido de boro B2O3 o del ácido bórico H3BO3 con amoníaco NH3 o con urea NH2(CO)NH2 bajo atmósfera de nitrógeno N2.
También puede obtenerse haciendo reaccionar boro con amoníaco a temperatura muy elevada.
Otra forma de prepararlo es a partir del diborano B2H6 y amoníaco NH3 usando un gas inerte y altas temperaturas (600-1080 °C):
B2H6 + 2 NH3 → 2 BN + 6 H2
Usos del nitruro de boro
- En la industria
- Como lubricante sólido.
- Como aditivo para cosméticos.
- En aislantes eléctricos de alta temperatura.
- En crisoles y vasijas de reacción.
- En moldes y recipientes de evaporación.
- Para almacenamiento de hidrógeno.
- En catálisis.
- Para adsorber contaminantes de aguas residuales.
El nitruro de boro cúbico (c-BN) por su dureza casi igual a la del diamante se emplea:
-
- En herramientas cortantes para maquinado de materiales ferrosos duros, como aleaciones duras de acero, hierro fundido y aceros para herramientas.
- Para mejorar la dureza y resistencia al desgaste de otros materiales duros como ciertas cerámicas para herramientas cortantes.
- Usos de las películas delgadas de BN. Son sumamente útiles en la tecnología de dispositivos semiconductores, componentes de los equipos electrónicos. Sirven por ejemplo:
- Para fabricar diodos planos; los diodos son dispositivos que permiten la circulación de electricidad en un solo sentido.
- En diodos de memoria de metal-aislante-semiconductor, como Al-BN-SiO2-Si.
- En circuitos integrados como limitador de voltaje.
- Para aumentar la dureza de ciertos materiales.
- Para proteger algunos materiales de la oxidación.
- Para aumentar la estabilidad química y aislamiento eléctrico de muchos tipos de dispositivos.
- En condensadores de película delgada
- Usos de los nanotubos de BN. Los nanotubos son estructuras que a nivel molecular tienen forma de tubos. Son tubos tan pequeños que se pueden apreciar solo con microscopios especiales. A continuación se indican algunas de las características de los nanotubos de BN:
- Tienen una alta hidrofobicidad, esto es, repelen el agua.
- Poseen una alta resistencia a la oxidación y calor (pueden resistir la oxidación hasta 1000 °C).
- Exhiben una alta capacidad de almacenamiento de hidrógeno.
- Absorben la radiación.
- Son muy buenos aislantes de la electricidad.
- Tienen una alta conductividad térmica.
- Su excelente resistencia a la oxidación a altas temperaturas hace que puedan ser utilizados para incrementar la estabilidad a la oxidación de las superficies.
- Por su hidrofobicidad se pueden utilizar para preparar superficies superhidrófobas, esto es, que no tienen afinidad por el agua y el agua no penetra en ellas.
- Los nanotubos de BN mejoran las propiedades de ciertos materiales, por ejemplo, se ha utilizado para aumentar la dureza y resistencia a la fractura del vidrio.
- En aplicaciones médicas. Los nanotubos de BN se han probado como portadores de medicinas contra el cáncer, como la doxorubicina. Ciertas composiciones con estos materiales aumentaron la eficiencia de la quimioterapia con dicho fármaco. En varias experiencias se ha demostrado que los nanotubos de BN tienen el potencial para transportar nuevos medicamentos y liberarlos adecuadamente. Se ha investigado el uso de los nanotubos de BN en biomateriales poliméricos para incrementar su dureza, velocidad de degradación y durabilidad. Estos son materiales que se usan, por ejemplo, en implantes ortopédicos.
- Como sensores. Los nanotubos de BN se han utilizado para construir dispositivos novedosos para detectar humedad, dióxido de carbono CO₂ y para diagnósticos clínicos. Estos sensores han demostrado una respuesta rápida y un tiempo corto de recuperación.
Posible toxicidad de los materiales de nitruro de boro
Existe cierta preocupación sobre los posibles efectos tóxicos de los nanotubos de BN. No hay un consenso claro acerca de su citotoxicidad, pues algunos estudios indican que son tóxicos para las células, mientras otros indican lo contrario.
Esto se debe a su hidrofobicidad o insolubilidad en agua, pues dificulta la realización de los estudios en materiales biológicos.
Algunos investigadores han recubierto la superficie de los nanotubos de BN con otros compuestos que favorecen su solubilidad en agua, pero esto ha agregado mayor incertidumbre en las experiencias.
Aunque la mayoría de estudios indican que su nivel de toxicidad es bajo, se cree que deben realizarse investigaciones más precisas.
Referencias
- Xiong, J. Hexagonal boron nitride adsorbent: Synthesis, performance tailoring and applications. Journal of Energy Chemistry. Recuperado de reader.elsevier.com.
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