Grafenlignende materiale lavet af bor en mulighed, forsøg tyder på

Forskere fra Brown University har eksperimentelt vist, at en bor-baseret konkurrent til grafen er en meget reel mulighed.

Grafen er blevet udråbt som et vidundermateriale. Lavet af et enkelt lag af kulstofatomer i et honeycomb arrangement, grafen er stærkere pund for pund end stål og leder elektricitet bedre end kobber. Siden opdagelsen af ​​grafen, forskere har spekuleret på, om bor, kulstofs nabo i det periodiske system, kunne også arrangeres i enkeltatomark. Teoretisk arbejde antydede, at det var muligt, men atomerne skulle være i et meget særligt arrangement.

Bor har en elektron færre end kulstof og kan derfor ikke danne det bikagegitter, der udgør grafen. For at bor skal danne et enkeltatomlag, teoretikere foreslog, at atomerne skulle være arrangeret i et trekantet gitter med sekskantede ledige pladser - huller - i gitteret.

"Det var forudsigelsen, " sagde Lai-Sheng Wang, professor i kemi ved Brown, "men ingen havde lavet noget for at vise, at det er tilfældet."

Wang og hans forskningsgruppe, som har studeret borkemi i mange år, har nu frembragt det første eksperimentelle bevis på, at en sådan struktur er mulig. I et papir udgivet den 20. januar i Naturkommunikation , Wang og hans team viste, at en klynge lavet af 36 boratomer (B36) danner en symmetrisk, en-atom tyk skive med et perfekt sekskantet hul i midten.

"Det er smukt, " sagde Wang. "Den har nøjagtig sekskantet symmetri med det sekskantede hul, vi ledte efter. Hullet er af reel betydning her. Det antyder, at denne teoretiske beregning om en bor plan struktur kan være rigtig."

Det kan være muligt, Wang sagde, at bruge B36-basis til at danne en udvidet plan borplade. Med andre ord, B36 kan meget vel være embryoet til et nyt nanomateriale, som Wang og hans team har døbt "borophen."

"Vi har stadig kun én enhed, " sagde Wang. "Vi har ikke lavet borophen endnu, men dette arbejde antyder, at denne struktur er mere end blot en beregning."

Arbejdet krævede en kombination af laboratorieforsøg og beregningsmodellering. I laboratoriet, Wang og hans elev, Wei-Li Li, undersøge egenskaberne af borklynger ved hjælp af en teknik kaldet fotoelektronspektroskopi. De starter med at zappe bidder af bulkbor med en laser for at skabe dampe af boratomer. En heliumstråle fryser derefter dampen til små klynger af atomer. Disse klynger zappes derefter med en anden laser, som slår en elektron ud af klyngen og sender den flyvende ned ad et langt rør, som Wang kalder sin "elektronvæddeløbsbane". Den hastighed, hvormed elektronen flyver ned ad væddeløbsbanen, bruges til at bestemme klyngens elektronbindingsenergispektrum - en aflæsning af, hvor tæt klyngen holder sine elektroner. Det spektrum tjener som fingeraftryk af klyngens struktur.

Wangs eksperimenter viste, at B36-klyngen var noget særligt. Det havde en ekstrem lav elektronbindingsenergi sammenlignet med andre borklynger. Formen af ​​klyngens bindingsspektrum antydede også, at det var en symmetrisk struktur.

For at finde ud af præcis, hvordan den struktur kan se ud, Wang vendte sig mod Zachary Piazza, en af ​​hans kandidatstuderende med speciale i beregningskemi. Piazza begyndte at modellere potentielle strukturer til B36 på en supercomputer, efterforsker mere end 3, 000 mulige arrangementer af de 36 atomer. Blandt de arrangementer, der ville være stabile, var den plane skive med det sekskantede hul.

"Så snart jeg så det sekskantede hul, " sagde Wang, "Jeg fortalte Zach, 'Det er vi nødt til at undersøge'."

For at sikre, at de virkelig har fundet det mest stabile arrangement af de 36 boratomer, de fik hjælp fra Jun Li, som er professor i kemi ved Tsinghua University i Beijing og tidligere seniorforsker ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) i Richland, Vask. Li, en mangeårig samarbejdspartner for Wang, har udviklet en ny metode til at finde stabile strukturer af klynger, som ville passe til det aktuelle job. Piazza tilbragte sommeren 2013 på PNNL og arbejdede sammen med Li og hans elever på B36-projektet. De brugte supercomputeren på PNNL til at undersøge flere mulige arrangementer af de 36 boratomer og beregne deres elektronbindingsspektre. De fandt ud af, at den plane skive med et sekskantet hul passede meget tæt med det spektrum, der blev målt i laboratorieforsøgene, hvilket indikerer, at strukturen, som Piazza oprindeligt fandt på computeren, faktisk var strukturen af ​​B36.

Den struktur passer også til de teoretiske krav til fremstilling af borophen, hvilket er en yderst interessant udsigt, sagde Wang. Bor-bor-bindingen er meget stærk, næsten lige så stærk som carbon-carbon-bindingen. Så borophen bør være meget stærk. Dens elektriske egenskaber kan være endnu mere interessante. Borophen forventes at være fuldt metallisk, hvorimod grafen er et halvmetal. Det betyder, at borophen kan ende med at blive en bedre leder end grafen.

"Det er, "Wang advarer, "hvis nogen kan klare det."

I lyset af dette arbejde, den udsigt virker meget mere sandsynlig.