Todimensionelt bor har potentielle fordele i forhold til grafen

(Phys.org) -- Hvornår er intet virkelig noget? Når det fører til en åbenbaring om bor, et element med verdener af uudforsket potentiale.

Teoretisk fysiker Boris Yakobson og hans team ved Rice University har taget en usædvanlig tilgang til at analysere de mulige konfigurationer af todimensionelle ark af bor, som rapporteret i denne uge i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver .

At behandle den som schweizerost – hvor hullerne er lige så definerende som selve osten – var nøglekonceptet for at finde ud af, hvordan atomtynde plader af bor kunne se ud. De ark, når den rulles ind i et hult rør, eller nanorør, kunne have en klar fordel i forhold til kulstof nanorør; bor nanorør er altid metalliske, mens carbonatomerne i et nanorør kan arrangeres til at danne enten metalliske eller halvledende nanorør. Denne variation i atomarrangement - kendt som chiralitet - er en af ​​de største forhindringer for kulstofnanorørbehandling og -udvikling.

"Hvis jeg drømmer vildt, Jeg kan godt lide at tro, bor nanorør ville være en fantastisk energitransporterende kvantetråd, " sagde Yakobson, Rices Karl F. Hasselmann professor i maskinteknik og materialevidenskab og professor i kemi. "Det ville have fordelene ved kulstof, men uden udfordringen med at vælge en bestemt symmetri."

Et borgitter, selv i kun to dimensioner, kan have en række konfigurationer, sagde Yakobson. Fuldt pakket, det er et lag af atomer arrangeret i trekanter. Det er en ekstrem. Men tag et atom ud, og det, der var centrum af seks trekanter, bliver en sekskant. Tag alle sådanne mulige atomer ud, og arket ligner nøjagtigt grafen, den todimensionelle, enkeltatomet tyk form for kulstof, der har været i højsædet i verden af ​​kemi og materialevidenskab i det sidste årti.

Mellem disse to yderpunkter er tusindvis af mulige former for rent bor, hvori manglende atomer efterlader mønstre af sekskantede huller.

"Carbon er veldefineret, " sagde Yakobson, hvis teorier fokuserer på de interaktioner, der er i spil mellem atomer, når de binder og bryder. "Enhver afvigelse i grafens sekskantede form er, hvad vi kalder en defekt, som har negative konnotationer.

"Men vi finder ud af, at der er et rigt udvalg af todimensionelt bor, " sagde han. "Det hele er renset - der er ingen ikke-bor her, selvom der er ledige pladser, tomme steder. Det fantastiske er, at naturen foretrækker at have det sådan; Ikke sekskantet, hvor hver tredje position mangler et atom, og ikke et trekantet gitter. Det optimale er lige i midten.”

I den mest stabile mellemvej, forskerne fandt, at 10 til 15 procent af boratomerne i et gitter manglede, efterlader "ledige koncentrationer" i en række forskellige mønstre.

Yakobson sagde, at brug af traditionelle beregningsmetoder til at vurdere tusindvis af bor-konfigurationer ville have kostet for meget og taget for lang tid. Så han og Rice-forskeren Evgeni Penev anvendte klyngeudvidelse, en beregningsmetode, der er mere almindeligt anvendt på legeringer.

"Evgeni gav det et twist:Han behandlede de tomme rum som den anden legeringsingrediens, på samme måde kan du ikke have schweizerost uden 'legeret i' hulrum og ægte ost. I denne beregning, hullerne er ens, fysisk enhed."

Med plads som en pseudolegering, forskerne fandt en række dannelsesenergier, man kunne bruge til at identificere stabile plader af bor med særlige ledige koncentrationer. De fandt også ud af, at syntetiserede borlag sandsynligvis ville være polymorfe:Hvert ark kunne indeholde et virvar af mønstre og stadig betragtes som rent bor.

"Polymorf betyder, at alle disse muligheder er stort set lige store, og lige så tilbøjelige til at danne, " sagde Yakobson.

"Dette er en lille del af den grundlæggende fysik, sagde Penev. "Det næste skridt er at overveje mere praktiske ting, som om det kan syntetiseres og under hvilke betingelser."

Yakobson, som i 2007 først teoretiserede muligheden for en 80-atoms bor "buckyball, ” sagde, at mens bor er svært at arbejde med, den vanskelighed gør det mere givende. "På den ene side det er meget svært at forestille sig en mulighed eller at få eksperimentelt bevis. På den anden side, marken er ikke så overfyldt som grafen."

Medforfattere til papiret er Rice postdoc-forskere Somnath Bhowmick og Arta Sadrzadeh.