Bor får en nano-opdatering:Forskere finder stabile 2D-strukturer med unikke egenskaber

(Phys.org) – National Nanotechnology Initiative definerer nanoteknologi som forståelse og kontrol af stof på nanoskala, ved dimensioner på ca. 1 og 100 nanometer, hvor unikke fænomener muliggør nye applikationer. Nanoteknologi tager verden med storm, revolutionerer de materialer og enheder, der bruges i mange applikationer og produkter. Det er grunden til, at et fund annonceret af Xiang-Feng Zhou og Artem R. Oganov, Gruppe for teoretisk krystallografi ved Institut for Geovidenskab, er så betydningsfulde.

Papiret, "Semimetallisk todimensionel borallotrop med masseløse Dirac-fermioner, " blev offentliggjort den 27. februar i Fysiske anmeldelsesbreve . Hovedforfatteren er Oganovs postdoc ved Stony Brook, Xiang-Feng Zhou, som også er lektor ved Nankai University i Tianjin, Kina.

"Bor er på mange måder en analog af kulstof, Xiang-Feng siger. "Dens nanostrukturer - nanopartikler, nanorør, og todimensionelle strukturer - har tiltrukket sig stor interesse i håbet om at replikere, eller endda overgå, kulstofnanostrukturernes unikke egenskaber og mangfoldighed. Vi opdagede strukturen af ​​todimensionelle borkrystaller, som er relevant for elektroniske applikationer og for at forstå bor nanostrukturer. Vores resultater omstøder antagelserne og forudsigelserne fra adskillige tidligere undersøgelser."

Tidligere arbejde havde konkluderet, at todimensionelt bor vil adoptere geometrien af ​​flade alfaark (strukturer sammensat af trekantede og sekskantede atommønstre) eller deres analoger. Disse resultater blev brugt til at konstruere bor nanorør og nanopartikler med unikke egenskaber, såsom høj mekanisk styrke og afstembar elektronisk ledningsevne.

"Vi fandt ud af, at alfaarket er massivt ustabilt; dette sår tvivl om tidligere modeller af boron-nanostrukturer, Oganov siger. vi opdagede, at flade monolagstrukturer af bor er ekstremt ustabile, og de faktiske strukturer har en begrænset tykkelse. Dette resultat vil sandsynligvis føre til en revision af strukturelle modeller af bor-nanopartikler og nanorør. I særdeleshed, det er muligt, at hule, fulleren-lignende strukturer vil være ustabile for bor."

Oganov siger, at den nyopdagede todimensionelle borstruktur besidder egenskaber, der er bedre end grafen. "Inden for 2D-borstrukturen, elektroner bevæger sig med hastigheder, der kan sammenlignes med lysets hastighed, og opfører sig, som om de var masseløse; i nogle retninger, elektronerne rejser hurtigere, end de gør i grafen. Dette kan være meget fordelagtigt for fremtidige elektroniske enheder."

Mens hastigheden ikke afhænger af retningen i grafen, den nye borstruktur udviser retningsafhængig afhængighed. I den langsomste retning, valget går 38% langsommere i bor end i grafen. Men i vinkelret retning, valget rejser 34 % hurtigere i bor. Dette er den ejendom, der kan være af værdi for elektroniske ansøgninger.

Resultaterne blev muliggjort af strukturforudsigelseskoden USPEX (Universal Structure Predictor:Evolutionary Xrystallography), der blev udviklet af Oganov og hans laboratorium. USPEX gifter sig med en kraftfuld, global optimeringsalgoritme med kvantemekanik og bruges af mere end 1600 videnskabsmænd over hele verden.

Forskerne planlægger derefter at udforske strukturen af ​​bornanopartikler; de mener, at tidligere konklusioner på området skal revurderes. Som alle sunde videnskabelige undersøgelser, Xiang-Feng siger, "Dette arbejde rejser flere spørgsmål end svar. Hvordan forbereder vi eksperimentelt de todimensionelle strukturer af bor, givet grundstoffets høje kemiske reaktivitet? Mens tidligere strukturelle modeller var forkerte, hvordan påvirker dette strukturerne af bornanopartikler og nanorør, og deres elektroniske egenskaber? Denne forskning sætter scenen for en ny bølge af undersøgelser af bor-baserede materialers fysik og kemi og bekræfter kraften i USPEX-metoden."