Кинетика коллоидной системы стабилизированного нитрида бора на водной субфазе

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.

1. Caldwell 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.

2. 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. Р. 2207374. https://doi.org/10.1002/adma.202207374.

3. Hexagonal 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.

4. Thermally 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.

5. Ogawa 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.

6. 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. Р. 5. https://doi.org/10.1186/s42252-023-00042-2.

7. Hexagonal 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.

8. Atomically 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.

9. Lin 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.

10. Вдовин 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.

11. Structure, 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.

12. Two 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.

13. Generation 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.

14. Lopes 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.2021.100522

15. Epitaxial 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.

16. Epitaxial 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.

17. 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. Р. 2207374. https://doi.org/10.1002/adma.202207374.

18. Graphene 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/nn9018762

19. Peng 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.2011.12.029

20. Progress 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.

21. Лэй 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.

22. Перевислов 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.

23. Петров 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.

24. 2D 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.