Nitruro de boro (BN): estructura, propiedades, obtención, usos
El nitruro de boro es un sólido inorgánico formado por la unión de un átomo de boro (B) con un átomo de nitrógeno (N). Su fórmula química es BN. Es un sólido blanco muy resistente a altas temperaturas y es un buen conductor del calor. Se emplea por ejemplo para fabricar crisoles de laboratorio.
El nitruro de boro (BN) es resistente a muchos ácidos, sin embargo, tiene cierta debilidad a los ataques del ácido fluorhídrico y por las bases fundidas. Es un buen aislante de la electricidad.
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 para mejorar la dureza de otros materiales.
Con el nitruro de boro se pueden fabricar tubos microscópicos (extremadamente delgados) llamados nanotubos, los cuales tienen aplicaciones médicas, como por ejemplo para transportar dentro del organismo y liberar medicinas contra tumores de cáncer.
Índice del artículo
- 1 Estructura
- 2 Nomenclatura
- 3 Propiedades
- 4 Obtención
- 5 Usos
- 6 Posible toxicidad de los materiales de BN
- 7 Referencias
El nitruro de boro (BN) 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, esto es, posee planos de anillos hexagonales los cuales 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, que son 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.
Nitruro de boro
Sólido blanco grasoso o resbaladizo al tacto.
24,82 g/mol
Sublima a aproximadamente 3000 ºC.
BN hexagonal = 2,25 g/cm3
BN cúbico = 3,47 g/cm3
Ligeramente soluble en alcohol caliente.
Debido al fuerte enlace entre el nitrógeno y el boro (enlace triple) 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.
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 que es 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.
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 el BN 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
El h-BN (nitruro de boro hexagonal) tiene variedad de aplicaciones importantes basadas en sus propiedades:
-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.
Son muy útiles en la tecnología de dispositivos semiconductores, los cuales son 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
Los nanotubos son estructuras que a nivel molecular tienen forma de tubos. Son tubos que son 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 súper hidrófobas, 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.
Existe cierta preocupación acerca de los posibles efectos tóxicos de los nanotubos de BN. No hay un consenso claro acerca de su citotoxicidad, pues algunos estudios indican que sí 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 estima que deben realizarse investigaciones más precisas.
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