Boron buckyball opdaget

Opdagelsen for 30 år siden af ​​fodbold-formede kulstofmolekyler kaldet buckyballs var med til at anspore en eksplosion af nanoteknologisk forskning. Nu, der ser ud til at være en ny bold på banen.

Forskere fra Brown University, Shanxi University og Tsinghua University i Kina har vist, at en klynge på 40 boratomer danner et hul molekylært bur, der ligner en carbon buckyball. Det er det første eksperimentelle bevis på, at en borburstruktur - tidligere kun var et spørgsmål om spekulation - faktisk eksisterer.

"Det er første gang, at et borbur er blevet observeret eksperimentelt, "sagde Lai-Sheng Wang, en professor i kemi ved Brown, der ledede teamet, der gjorde opdagelsen. "Som kemiker at finde nye molekyler og strukturer er altid spændende. Det faktum, at bor har kapaciteten til at danne denne form for struktur, er meget interessant."

Wang og hans kolleger beskriver molekylet, som de har kaldt borosfæren, i journalen Naturkemi .

Carbon buckyballs er lavet af 60 carbonatomer arrangeret i femkanter og sekskanter for at danne en kugle - som en fodbold. Deres opdagelse i 1985 blev hurtigt efterfulgt af opdagelser af andre hule kulstofstrukturer, herunder kulnanorør. Et andet berømt kulstof-nanomateriale - et et-atom-tykt ark kaldet grafen - fulgte kort efter.

Efter buckyballs, videnskabsmænd spekulerede på, om andre elementer kunne danne disse mærkelige hule strukturer. En kandidat var bor, kulstofs nabo i det periodiske system. Men fordi bor har en elektron mindre end kulstof, den kan ikke danne den samme 60-atom struktur, der findes i buckyballen. De manglende elektroner ville få klyngen til at kollapse på sig selv. Hvis der eksisterede et borbur, det skulle have et andet antal atomer.

Wang og hans forskergruppe har studeret borkemi i årevis. I et papir offentliggjort tidligere i år, Wang og hans kolleger viste, at klynger af 36 boratomer danner et-atom-tykke skiver, som kan sys sammen for at danne en analog til grafen, kaldet borofen. Wangs indledende arbejde antydede, at der også var noget særligt ved borklynger med 40 atomer. De syntes at være unormalt stabile i forhold til andre borklynger. At finde ud af, hvordan den 40-atomklynge faktisk ser ud, krævede en kombination af eksperimentelt arbejde og modellering ved hjælp af superdrevne supercomputere.

På computeren, Wangs kolleger modellerede over 10, 000 mulige arrangementer af 40 boratomer bundet til hinanden. Computersimuleringerne estimerer ikke kun strukturernes former, men estimer også elektronbindingsenergien for hver struktur - et mål for, hvor tæt et molekyle holder sine elektroner. Spektret af bindingsenergier fungerer som et unikt fingeraftryk for hver potentiel struktur.

Det næste trin er at teste de faktiske bindingsenergier for borklynger i laboratoriet for at se, om de matcher nogen af ​​de teoretiske strukturer, der genereres af computeren. At gøre det, Wang og hans kolleger brugte en teknik kaldet fotoelektronspektroskopi.

Klumper af bulk bor er zappet med en laser for at skabe dampe af bor atomer. En heliumstråle fryser derefter dampen til små klynger af atomer. Klyngerne med 40 atomer blev isoleret efter vægt og derefter zappet med en anden laser, som slår en elektron ud af klyngen. Den udstødte elektron flyver ned ad et langt rør, Wang kalder sin "elektron racerbane". Hastigheden, hvormed elektronerne flyver ned af racerbanen, bruges til at bestemme klyngens elektronbindende energispektrum - dets strukturelle fingeraftryk.

Eksperimenterne viste, at 40-atom-klynger danner to strukturer med tydelige bindingsspektre. Disse spektre viste sig at være en dead-on match med spektrene for to strukturer genereret af computermodellerne. Den ene var et halvfladt molekyle og den anden var det buckyball-lignende sfæriske bur.

"Den eksperimentelle observation af et bindingsspektrum, der matchede vores modeller, var af afgørende betydning, " sagde Wang. "Eksperimentet giver os disse meget specifikke signaturer, og disse signaturer passer til vores modeller. "

Borosfærenmolekylet er ikke helt så sfærisk som dets kusine. I stedet for en serie af fem- og seksleddede ringe dannet af kulstof, borosfæren består af 48 trekanter, fire syvsidede ringe og to seksleddede ringe. Flere atomer skiller sig lidt ud fra de andre, hvilket gør overfladen af ​​borosfæren noget mindre glat end en buckyball.

Hvad angår mulig anvendelse af borosfæren, det er lidt for tidligt at sige, siger Wang. En mulighed, han påpeger, kunne være brintlagring. På grund af elektronmangel i bor, borosfæren ville sandsynligvis binde godt med brint. Så små borbure kunne tjene som sikre huse for brintmolekyler.

Men for nu, Wang nyder opdagelsen.

"For os, bare for at være den første til at have observeret dette, det er en ret stor ting, " sagde Wang. "Selvfølgelig, hvis det viser sig at være nyttigt, ville det være fantastisk, men vi ved det ikke endnu. Forhåbentlig vil dette første fund stimulere yderligere interesse for borklynger og nye ideer til at syntetisere dem i store mængder. "