techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2023-13-3-211-223techusgu-176Research ArticleФИЗИКАPHYSICSКинетика коллоидной системы стабилизированного нитрида бора на водной субфазеKinetics of the Colloidal System of Stabilized Boron Nitride in the Aqueous Subphasehttps://orcid.org/0009-0005-7272-2939ЛоктионоваИ. В.LoktionovaI. V.

Локтионова Инна Владимировна, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Регионального центра нанотехнологий

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040, Российская Федерация 

Inna V. Loktionova, Candidate of Sciences (Physics and Mathematics), Senior Researcher of the Regional Center for Nanotechnology 

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040, Russian Federation 

ms.chuhaeva@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7089-0692КузьменкоА. П.KuzmenkoA. P.

Кузьменко Александр Павлович, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Регионального центра нанотехнологий

 ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040, Российская Федерация 

Alexander P. Kuzmenko, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor, Chief Researcher of the Regional Center for Nanotechnology 

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040, Russian Federation 

apk3527@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5635-8149ЖакинА. И.ZhakinA. I.

Жакин Анатолий Иванович, доктор  физико-математических наук, профессор кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики

 ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040, Российская Федерация 

Anatoly I. Zhakin, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor of the Department of Nanotechnology, Microelectronics, General and Applied Physics 

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040, Russian Federation 

zhakin@mail.ruЕмельяновВ. М.EmelyanovV. A.

Емельянов Виктор Михайлович, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник

 ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040, Российская Федерация 

Victor M. Emelaynov, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor, Chief Researcher 

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040, Russian Federation 

vmemelianov@yandex.ruАбакумовП. В.AbakumovP. V.

Абакумов Павел Владимирович, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры физики, информатики и математики

ул. К. Маркса, д. 3, г. Курск 305041, Российская Федерация 

Pavel V. Abakumov, Candidate of Sciences (Physics and Mathematics), Senior Teacher of the Physics, Informatics and mathematics Department 

3 K. Marx Str., Kursk 305041, Russian Federation 

abakumovpavel18@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-8087-874XНеручевЮ. А.NeruchevA. Yu.

Неручев Юрий Анатольевич, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики и нанотехнологий, научный руководитель научно-исследовательского центра физики конденсированного состояния

ул. Радищева, д. 33, г. Курск 305000, Российская Федерация 

Yury A. Neruchev, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor of the Department of Physics and Nanotechnology, Scientific Supervisor of the Research Center for Condensed Matter Physics 

33 Radishcheva Str., Kursk 305000, Russian Federation 

yuan2003@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4323-351XФилипповВ. В.FilippovV. V.

Филиппов Владимир Владимирович, доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры математики и физики института естественных, математических и технических наук

ул. Ленина, д. 42, г. Липецк 398020, Российская Федерация 

Vladimir V. Filippov, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Associate Professor, Professor of the Department of Mathematics and Physics of the Institute of Natural, Mathematical and Technical Sciences 

42 Lenina Str., Lipetsk 398020, Russian Federation 

wwfilippow@mail.ruЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian FederationКурский государственный медицинский университетРоссияKursk State Medical UniversityRussian FederationКурский государственный университетРоссияKursk State UniversityRussian FederationЛипецкий государственный педагогический университет им. П. П. Семенова-Тян-ШанскогоРоссияLipetsk State Pedagogical University named after P. P. Semenov-Tyan-ShanskyRussian Federation202329092023133211223Copyright © Локтионова И.В., Кузьменко А.П., Жакин А.И., Емельянов В.М., Абакумов П.В., Неручев Ю.А., Филиппов В.В., 20232023Локтионова И.В., Кузьменко А.П., Жакин А.И., Емельянов В.М., Абакумов П.В., Неручев Ю.А., Филиппов В.В.Loktionova I.V., Kuzmenko A.P., Zhakin A.I., Emelyanov V.A., Abakumov P.V., Neruchev A.Y., Filippov V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/176

Цель. Получение коллоидного раствора, стабилизированного стеариновой кислотой наночастиц гексагонального нитрида бора, анализ и визуализация структурообразования и его пространственных характеристик, создание и исследование плавающих монослоев на водной поверхности.Методы. Определение химической структуры проводилось с помощью ИК-спектроскопии; моделирование кристаллической структуры и процессов синтеза коллоидного раствора осуществлялось с использованием программного пакета Materials Studio 2020 с модулями CASTEP, Forsite, Blends Calculation и Dmol3; исследование процесса формирования монослоя проводилось на установке для формирования и исследования монослоев методом Ленгмюра – Блоджетт KSV Nima 2002, располагающей весами Вильгельми; брюстеровская микроскопия и термостабилизация.Результаты. Синтезирована коллоидная система стабилизированных стеариновой кислотой наночастиц гексагонального нитрида бора. С помощью моделирования из первых принципов показано отсутствие химических реакций и молекулярных деформаций стеариновой кислоты в дисперсионной среде коллоидной системы (хлороформ), а также деформации кристаллических и молекулярных структур при пассивировании молекул стеариновой кислоты на поверхности наночастиц гексагонального нитрида бора. Методами ИК-спектроскопии установлено полное испарение дисперсионной среды и факт устойчивой стабилизации наночастиц. Полученные результаты ИК-спектроскопии хорошо согласуются с данными ab-initio моделирования, показывающими присоединение молекул стеариновой кислоты к поверхности наночастиц гексагонального нитрида бора полярными группами, содержащими атомы кислорода, так как в этом случае достигается минимальное значение энергии данной системы.Заключение. В работе показана возможность устойчивой стабилизации наночастиц гексагонального нитрида бора молекулами стеариновой кислоты и последующего создания из них монослоя для осаждения бездефектных тонких пленок методом Ленгмюра – Блоджетт с востребованными механическими, электрическими, оптическими и термическими свойствами.

Purpose. Preparation of a colloidal solution stabilized with stearic acid of hexagonal boron nitride nanoparticles, analysis and visualization of structure formation and its spatial characteristics, creation and study of floating monolayers on the water surface.Methods. The determination of the chemical structure was carried out using IR spectroscopy; modeling of the crystal structure and processes of colloidal solution synthesis was carried out using the Materials Studio 2020 software package with CASTEP, Forsite, Blends Calculation and Dmol3 modules; study of the formation of a monolayer on a setup for the formation and study of monolayers by the Langmuir-Blodgett method KSV Nima 2002, equipped with a Wilhelmy balance, Brewster microscopy and thermal stabilization.Results. A colloidal system of hexagonal boron nitride nanoparticles stabilized with stearic acid has been synthesized. The absence of chemical reactions and molecular deformations of stearic acid in the dispersed medium of a colloidal system (chloroform), as well as deformations of crystalline and molecular structures during passivation of stearic acid molecules on the surface of hexagonal boron nitride nanoparticles are shown using first-principles modeling. IR spectroscopy methods have established the complete evaporation of the dispersion medium and the fact of stable stabilization of nanoparticles. The obtained IR spectroscopy results are in good agreement with ab-initio modeling data showing the attachment of stearic acid molecules to the surface of hexagonal boron nitride nanoparticles by polar groups containing oxygen atoms, since in this case the minimum energy value of this system is achieved.Conclusion. The paper shows the possibility of stable stabilization of hexagonal boron nitride nanoparticles by stearic acid molecules and subsequent creation of a monolayer from them for deposition of defect-free thin films by the Langmuir-Blodgett method with demanded mechanical, electrical, optical and thermal properties.

метод Ленгмюра – Блоджеттгексагональный нитрид бораИК-спектроскопияLangmuir-Blodgett methodferroelectricsbarium titanateferroelectric polarizationПубликация подготовлена в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (Соглашения № 075-15-2021-1155 и № 075-15-2021-1213).The publication was prepared as part of the implementation of the strategic academic leadership program "Priority 2030" (Agreements No. 075-15-2021-1155 and No. 075-15-2021-1213).ReferencesCaldwell photonics with hexagonal boron nitride / J. D. Caldwell, I. Aharonovich, G. Cassabois [et al.]// Nature Reviews Materials. 2019. Vol. 4, no. 8. Р. 552–67. https://doi.org/10.3390/ma16052005.Caldwell J. D., Aharonovich I., Cassabois G., eds. Caldwell Photonics with hexagonal boron nitride. Nature Reviews Materials, 2019, vol. 4, no. 8J. D, рр. 552–567. https://doi.org/10.3390/ma16052005Naclerio A. E., Kidambi P. R. A review of scalable hexagonal boron nitride (h‐BN) synthesis for present and future applications // Advanced Materials. 2023. Vol. 35, no. 6. Р. 2207374. https://doi.org/10.1002/adma.202207374.Naclerio A. E., Kidambi P. R. A Review of scalable hexagonal boron nitride (h‐BN) synthesis for present and future applications. Advanced Materials, 2023, vol. 35, no. 6, рр. 2207374. https://doi.org/10.1002/adma.202207374Hexagonal boron nitride for next‐generation photonics and electronics / Seokho Moon, Jiye Kim, Jeonghyeon Park [et al.]// Advanced Materials. 2023. Vol. 35, no. 4. Р. 2204161. https://doi.org/10.1002/adma.202204161.Seokho Moon, Jiye Kim, Jeonghyeon Park, eds. Hexagonal boron nitride for next‐generation photonics and electronics. Advanced Materials, 2023, vol. 35, no. 4, рр. 2204161. https://doi.org/10.1002/adma.202204161Thermally conductive composites based on hexagonal boron nitride nanosheets for thermal management: fundamentals to applications / Wentong Wu, Mingsheng Zheng, Kejian Lu [et al.]// Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2023. Vol. 169. P. 107533. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107533.Wentong Wu, Mingsheng Zheng, Kejian Lu, eds. Thermally conductive composites based on hexagonal boron nitride nanosheets for thermal management: fundamentals to applications. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2023, vol. 169, рр. 107533. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107533Ogawa S., Fukushima S., Shimatani M. Hexagonal boron nitride for photonic device applications: A review // Materials. 2023. Vol. 16, no. 5. Р. 2005. https://doi.org/10.3390/ma16052005.Ogawa S., Fukushima S., Shimatani M. Hexagonal boron nitride for photonic device applications: A review. Materials, 2023, vol. 16, no. 5, рр. 2005. https://doi.org/10.3390/ma16052005Avasarala S., Bose S. 2D nanochannels and huge specific surface area offer unique ways for water remediation and adsorption: assessing the strengths of hexagonal boron nitride in separation technology // Functional Composite Materials. 2023. Vol. 4, no. 1. Р. 5. https://doi.org/10.1186/s42252-023-00042-2.Avasarala S., Bose S. 2D nanochannels and huge specific surface area offer unique ways for water remediation and adsorption: assessing the strengths of hexagonal boron nitride in separation technology. Functional Composite Materials, 2023, vol. 4, no. 1, рр. 5. https://doi.org/10.1186/s42252-023-00042-2Hexagonal boron nitride-based composites: an overview of processing approaches and mechanical properties / Muhammad Ramzan Abdul Karim, Muhammad Awais Khan, Atteeq Uz Zaman, Azhar Hussain // Journal of the Korean Ceramic Society. 2023. Vol. 60, no. 1. Р. 1–23. https://doi.org/10.1007/s43207-022-00251-8.Muhammad Ramzan Abdul Karim, Muhammad Awais Khan, Atteeq Uz Zaman, Azhar Hussain. Hexagonal boron nitride-based composites: an overview of processing approaches and mechanical properties. Journal of the Korean Ceramic Society, 2023, vol. 60, no. 1, рр. 1–23. https://doi.org/10.1007/s43207-022-00251-8Atomically thin hexagonal boron nitride and its heterostructures / Jia Zhang, Biying Tan, Xin Zhang [et al.]// Advanced Materials. 2021. Vol. 33, no. 6. Р. 2000769. https://doi.org/10.1002/adma.202000769.Jia Zhang, Biying Tan, Xin Zhang, eds. Atomically thin hexagonal boron nitride and its heterostructures. Advanced Materials, 2021, vol. 33, no. 6, рр. 2000769. https://doi.org/10.1002/adma.202000769Lin Y., Connell J. W. Advances in 2D boron nitride nanostructures: nanosheets, nanoribbons, nanomeshes, and hybrids with graphene // Nanoscale. 2012. Vol. 4, no. 22. Р. 690–6939. https://doi.org/10.1039/ C2NR32201C.Lin Y., Connell J. W. Advances in 2D boron nitride nanostructures: nanosheets, nanoribbons, nanomeshes, and hybrids with graphene. Nanoscale, 2012, vol. 4, no. 22, рр. 6908–6939. https://doi.org/10.1039/C2NR32201CВдовин Е. Е., Новоселов К. С., Ханин Ю. Н. Резонансно-туннельная спектроскопия ван-дерваальсовых гетеросистем // Успехи химии. 2019. Vol. 88, no. 11. Р. 1081–1093. https://doi.org/10.1070/RCR4907.Vdovin E. E., Novoselov K. S., Khanin Yu. N. Resonance tunneling spectroscopy of van der Waals heterosystems. Advances in chemistry, 2019, vol. 88, no. 11, рр. 1081–1093. https://doi.org/10.1070/RCR4907Structure, properties and applications of two‐dimensional hexagonal boron nitride / Soumyabrata Roy, Xiang Zhang, Anand B Puthirath [et al.]// Advanced Materials. 2021. Vol. 33, no. 44. Р. 2101589. https://doi.org/10.1002/adma.202101589.Soumyabrata Roy, Xiang Zhang, Anand B Puthirath, eds. Structure, properties and applications of two‐dimensional hexagonal boron nitride. Advanced Materials, 2021, vol. 33, no. 44, рр. 2101589. https://doi.org/10.1002/adma.202101589Two dimensional hexagonal boron nitride (2D-hBN): synthesis, properties and applications / Kailiang Zhang, Yulin Feng, F. Wang [et al.]// Journal of Materials Chemistry C. 2017. Vol. 5, no. 46. Р. 11992–12022. https://doi.org/10.1039/C7TC04300G.Kailiang Zhang, Yulin Feng, F. Wang, eds. Two dimensional hexagonal boron nitride (2D-hBN): synthesis, properties and applications. Journal of Materials Chemistry C, 2017, vol. 5, no. 46, рр. 11992–12022. https://doi.org/10.1039/C7TC04300GGeneration of spin defects in hexagonal boron nitride / M. Kianinia, S. White, J. E. Fröch [et al.]// ACS photonics. 2020. Vol. 7, no. 8. Р. 2147–2152. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.0c00614.Kianinia M., White S., Fröch J. E., eds. Generation of spin defects in hexagonal boron nitride. ACS photonics, 2020, vol. 7, no. 8, рр. 2147–2152. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.0c00614Lopes J. M. J. Synthesis of hexagonal boron nitride: From bulk crystals to atomically thin films // Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 2021. Vol. 67, no. 2. Р. 100522. https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2021.100522Lopes J. M. J. Synthesis of hexagonal boron nitride: From bulk crystals to atomically thin films. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, 2021, vol. 67, no. 2, рр. 100522. https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2021.100522Epitaxial single-crystal hexagonal boron nitride multilayers on Ni (111) / Kyung Yeol Ma, Leining Zhang, Sunghwan Jin [et al.]// Nature. 2022. Vol. 606, no. 7912. Р. 88–93. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04745-7.Kyung Yeol Ma, Leining Zhang, Sunghwan Jin, eds. Epitaxial single-crystal hexagonal boron nitride multilayers on Ni (111). Nature, 2022, vol. 606, no. 7912, рр. 88–93. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04745-7Epitaxial growth of a 100-square-centimetre single-crystal hexagonal boron nitride monolayer on copper / Li Wang, Xiaozhi Xu, Leining Zhang [et al.]// Nature. 2019. Vol. 570, no. 7759. Р. 91–95. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1226-z.Li Wang, Xiaozhi Xu, Leining Zhang, eds. Epitaxial growth of a 100-square-centimetre singlecrystal hexagonal boron nitride monolayer on copper. Nature, 2019, vol. 570, no. 7759, рр. 91–95. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1226-zNaclerio A. E., Kidambi P. R. A review of scalable hexagonal boron nitride (h‐BN) synthesis for present and future applications // Advanced Materials. 2023. Vol. 35, no. 6. Р. 2207374. https://doi.org/10.1002/adma.202207374.Naclerio A. E., Kidambi P. R. A review of scalable hexagonal boron nitride (h‐BN) synthesis for present and future applications. Advanced Materials, 2023, vol. 35, no. 6, рр. 2207374. https://doi.org/10.1002/adma.202207374Graphene analogues of BN: novel synthesis and properties / Angshuman Nag, Kalyan Raidongia, Kailash P. S. S. Hembram [et al.]// ACS nano. 2010. Vol. 4, no. 3. Р. 1539–1544. https://doi.org/10.1021/nn9018762Angshuman Nag, Kalyan Raidongia, Kailash P. S. S. Hembram, eds. Graphene analogues of BN: novel synthesis and properties. ACS nano, 2010, vol. 4, no. 3, рр. 1539–1544. https://doi.org/10.1021/nn9018762Peng Q., Ji W., De S. Mechanical properties of the hexagonal boron nitride monolayer: Ab initio study // Computational Materials Science. 2012. Vol. 56. Р. 11–17. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2011.12.029Peng Q., Ji W., De S. Mechanical properties of the hexagonal boron nitride monolayer: Ab initio study. Computational Materials Science, 2012, vol. 56, рр. 11–17. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2011.12.029Progress on boron nitride nanostructure materials: properties, synthesis and applications in hydrogen storage and analytical chemistry / Patel Mayurkumar Revabhai, Rakesh Kumar Singhal, Hirakendu Basu [et al.]// Journal of Nanostructure in Chemistry. 2023. Vol. 13, no. 1. Р. 1–41. https://doi.org/10.1007/s40097-022-00490-5.Patel Mayurkumar Revabhai, Rakesh Kumar Singhal, Hirakendu Basu, eds. Progress on boron nitride nanostructure materials: properties, synthesis and applications in hydrogen storage and analytical chemistry. Journal of Nanostructure in Chemistry, 2023, vol. 13, no. 1, рр. 1–41. https://doi.org/10.1007/s40097-022-00490-5Лэй И. С., Янь Ю. П. Упрочнение поверхности алюминия нанолистами из нитрида бора // Прикладная механика и техническая физика. 2023, Т. 64, № 2. Р. 174–181. https://doi.org/10.15372/PMTF202215117.Lei I. S., Yan Yu. P. Uprochnenie poverkhnosti alyuminiya nanolistami iz nitrida bora [Hardening of the aluminum surface with boron nitride nanolists]. Prikladnaya mekhanika i tekhnicheskaya fizika = Applied mechanics and technical physics, 2023, vol. 64, no. 2, рр. 174–181. https://doi.org/10.15372/PMTF202215117Перевислов С. Н. Структура, свойства и области применения графитоподобного гексагонального нитрида бора // Новые огнеупоры. 2019. № 6. Р. 35–40. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2019-6-35-40.Perevislov S. N. Struktura, svoistva i oblasti primeneniya grafitopodobnogo geksagonal'nogo nitrida bora [Structure, properties and applications of graphite-like hexagonal boron nitride]. Novye ogneupory = New refractories, 2019, vol. 6, рр. 35–40. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2019-6-35-40Петров Ю. В., Гогина О. А., Вывенко О. Ф. Ионно-лучевая модификация локальных люминесцентных свойств гексагонального нитрида бора // Журнал технической физики. 2022. Т. 92, № 8. https://doi.org/10.21883/JTF.2022.08.52778.66-22.Petrov Yu. V., Gogina O. A., Vyvenko O. F. Ionno-luchevaya modifikatsiya lokal'nykh lyuminestsentnykh svoistv geksagonal'nogo nitrida bora [Ion-beam modification of local luminescent properties of hexagonal boron nitride]. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki = Journal of Technical Physics, 2022, vol. 92, no. 8. https://doi.org/10.21883/JTF.2022.08.52778.66-222D boron nitride nanosheets for polymer composite materials / Md Golam Rasul, Alper Kiziltas, Babak Arfaei [et al.]// npj 2D Materials and Applications. 2021. Vol. 5, no. 1. Р. 56. https://doi.org/10.1038/s41699-021-00231-2.Md Golam Rasul, Alper Kiziltas, Babak Arfaei, eds. 2D boron nitride nanosheets for polymer composite materials. npj 2D Materials and Applications, 2021, vol. 5, no. 1, рр. 56. https://doi.org/10.1038/s41699-021-00231-2

The authors declare that there are no conflicts of interest present.