Quando lo stesso elemento o composto da vita a diverse strutture cristalline viene definito: “allotropo“. Vi sono però dei casi particolari tra cui quello del carbonio e del nitruro di boro (BN). Essi, infatti, sono due sostanze allotropiche che danno vita alle stesse strutture cristalline le cui proprietà, tuttavia, sono diametralmente opposte e i cui utilizzi vanno dai lubrificanti ai nanotubi.

Grafite bianca e grafite nera

Per molti la grafite è “quella cosa nera che sta dentro alle matite”. Come sappiamo ne esistono diversi tipi, ciascuno dei quali è caratterizzato da una propria durezza (a seconda del tratto richiesto) e dal caratteristico colore grigio scuro. Ciò che molti ignorano, però, è che ne esiste anche un altro tipo, diverso da tutti gli altri per il suo colore bianco. No, non si tratta della mina presente nei pastelli bianchi (la cui utilità resta ancora dubbia), ma di una forma allotropica del nitruro di boro.

Analogie e differenze nella struttura cristallina

La grafite è un cristallo facilmente reperibile in natura, composto interamente da atomi di carbonio. Questi ultimi si dispongono formando degli esagoni dai lati adiacenti e disposti sullo stesso piano. La sovrapposizione di ciascuno di questi strati (che prendono il nome di grafene) dà vita alla grafite. Al contrario, il nitruro di boro o grafite bianca è ottenibile solo in laboratorio e non contiene carbonio, ma è formato interamente da atomi di azoto e boro presenti in quantità eguali. L’omonimia tra i due composti è dovuta al fatto che all’interno del reticolo cristallino, gli atomi si dispongono nello stesso modo.

A sinistra: un frammento di grafite nera. A destra: un frammento grafite bianca.

I diversi scopi della grafite bianca e nera

A prima vista due cristalli così simili dovrebbero essere utilizzati più o meno per gli stessi scopi. Nonostante ciò le proprietà intrinseche dei tre diversi atomi rendono i due composti (e di conseguenza anche i loro scopi nel settore industriale) completamente differenti.

L’importanza del nitruro di boro

La maggior elettronegatività dell’azoto riduce la libertà di movimento degli elettroni ed è proprio questo a rendere la grafite bianca un eccellente prodotto per l’industria chimica. Infatti, se la grafite nera è un ottimo conduttore, il nitruro di boro, al contrario, è spesso utilizzato come isolante elettrico. La grafite bianca, inoltre, funge anche da lubrificante ed è presente in grandi quantità tra gli ingranaggi dei macchinari e delle nostre stesse automobili. In questi casi, la scelta del nitruro di boro al posto del carbonio esagonale è dovuta all’elevata reattività di quest’ultimo in presenza di alcune sostanze chimiche (tra cui anche l’aria). Questi reagenti, infatti, venendo a contatto con i cristalli ne modificano la struttura e le proprietà interferendo con le funzioni alle quali sarebbe adibito il carbonio.

A cosa serve dunque la grafite nera?

Quanto detto fin ora non vuol dire che la grafite nera sia inutile. Al contrario, considerando la sua temperatura di fusione (3.499,85 °C) non è affatto insolito trovarla negli impianti di raffreddamento delle centrali nucleari. Per le sue proprietà elettriche, inoltre, la ritroviamo in quasi tutte le batterie alcaline (le pile del telecomando, per intenderci). Che dire, se prima il suo utilizzo si riduceva alla produzione delle mine, oggi il settore industriale sembra non poterne più fare a meno. Certo, una gran parte della grafite estratta dalle miniere viene ancora oggi impiegata nella produzione di matite e colori, ma sapevate che arrotolando su di esso uno strato di grafene si ottiene un nanotubo di carbonio? Già, proprio così, a quanto pare il carbonio è destinato a prendere il posto del silicio all’interno dei transistor.

L’utilità dei nanotubi di carbonio

A partire dalla scoperta dei nanotubi sono stati effettuati numerosi esperimenti per determinarne le proprietà fisiche e chimiche. Il nanotubo a singola parete, infatti, è un materiale molto resistente alla trazione. Possiede inoltre delle interessanti proprietà elettriche e, a seconda del suo diametro o della sua chiralità, può essere o un conduttore o un semiconduttore. Tutto ciò permette la realizzazione dei chip sempre più piccoli e dalle prestazioni sempre più veloci presenti nei nostri smartphone. Recentemente anche il settore biomedico ne ha fatto largo utilizzo: le varie funzionalizzazioni hanno infatti permesso di renderli solubili in acqua favorendone la biocompatibilità con l’organismo umano e riducendone drasticamente la totossicità. I nanotubi hanno perciò avuto modo di essere impiegati come potenziali agenti per il trattamento del tumore al rene e per aumentare l’attività neuronale. Il problema principale, tuttavia, risiede nei costi di produzione. Infatti, gran parte dei nanotubi prodotti ha delle impurità ed eliminarle vuol dire danneggiare quelli intatti. Per tale motivo, essendo complessivamente un processo molto lungo e laborioso, la produzione di nanotubi di carbonio richiede costi molto elevati.

Esistono anche nanotubi di nitruro di boro?

La domanda corretta, in realtà, sarebbe: perché non dovrebbero esistere?. Infatti, anche se il carbonio sembra farla da padrone, per alcune applicazioni i nanotubi di nitruro di boro risultano essere molto più efficaci. Sebbene la loro scoperta sia piuttosto recente è già stato dimostrato che la loro resistenza al calore, alle radiazioni e all’ossidazione sono migliori di quelle del carbonio. Un team di ricerca della  Binghamton University guidato dal professor Changhong Ke ha inoltre affermato di poter impiegare questo nuovo materiale nelle apparecchiature aereospaziali. Nonostante ciò gli esperti ritengono di avere ancor molta strada da fare e che ci vorrà del tempo prima di giungere a dei risultati accettabili.

 

Le analogie tra BN e diamante

Non è affascinante notare come composti apparentemente simili abbiano proprietà così diverse? Ma, le sorprese non finiscono qui. Gli atomi di carbonio possono disporsi anche formando dei tetraedri regolari. Tutto ciò dà vita ai cristalli del diamante. Ebbene, essendo isoelettronico al carbonio, anche il nitruro di boro può farlo. Analogamente ai così detti diamanti sintetici questo nuovo composto viene prodotto sottoponendo quello con struttura esagonale a un’elevata pressione e temperatura. Il cristallo ottenuto, chiamato nitruro di boro cubico è poi utilizzato prevalentemente come abrasivo industriale. Ma perché a tale scopo non si usa il diamante? Effettivamente non sarebbe sciocco sfruttare il cristallo più duro in assoluto. La scelta di utilizzare il nitruro di boro cubico, però, non è casuale, ma è dovuta sia alla sua insolubilità in ferro e nichel ad alte temperature, sia ai ridotti costi di produzione. Non dimentichiamo infatti che il diamante è tutt’altro che economico.

Nitruro di boro cubico
Diamante

 

 

 

 

 

Andrea Grillo

 

 

 

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