Boratomer strækker sig ud, få nye kræfter

Hold fast, der, grafen. Du tror måske, at du er århundredets mest interessante nye nanomateriale, men bor har måske allerede slået dig, ifølge forskere ved Rice University.

Et rishold, der simulerede endimensionelle former for bor-både to-atom-brede bånd og enkeltatom-kæder-fandt ud af, at de besidder unikke egenskaber. De nye fund vises i denne uge i Journal of the American Chemical Society .

For eksempel, hvis metalliske bånd af bor strækkes, de omdannes til antiferromagnetiske halvledende kæder, og når de slippes, foldes de tilbage til bånd.

1-D-bormaterialerne har også mekanisk stivhed på niveau med de bedst kendte nanomaterialer.

Og de kan fungere som nanoskala, fjedre med konstant kraft.

Eksperimentelle laboratorier gør fremskridt med at syntetisere atom-tynd og fullerent bor, hvilket fik risforsker Boris Yakobson til at tro, at 1-D-bor også i sidste ende også kan blive virkeligt.

Yakobsons laboratorium skaber computersimuleringer på atomniveau af materialer, der ikke nødvendigvis eksisterer-endnu. Simulering og afprøvning af deres energiske egenskaber hjælper med at guide eksperimentelle eksperter, der arbejder på at skabe materialer fra den virkelige verden. Kulstofatomkæder kendt som carbyne, borfullerener og todimensionale film kaldet borofen, alt forudsagt af Rice -gruppen, er siden blevet oprettet af laboratorier.

"Vores arbejde med carbyne og med plant bor fik os til at tænke på, at en endimensionel kæde af boratomer også er en mulig og spændende struktur, "Sagde Yakobson." Vi ville vide, om det er stabilt, og hvad ejendommene ville være. Det er her moderne teoretisk-beregningsmetoder er imponerende, fordi man kan foretage temmelig realistiske vurderinger af ikke-eksisterende strukturer.

"Selvom de aldrig eksisterer, de er stadig vigtige, da vi undersøger mulighederne, slags den sidste grænse, " han sagde.

En-dimensionel bor danner to veldefinerede faser-kæder og bånd-som er forbundet med en "reversibel faseovergang, "hvilket betyder, at de kan vende sig fra den ene form til den anden og tilbage.

For at demonstrere denne interessante kemomekanik, forskerne brugte en computer til at "trække" enderne af et simuleret borbånd med 64 atomer. Dette tvang atomerne til at omarrangere til en enkelt carbyne-lignende kæde. I deres simulering, forskerne efterlod et fragment af båndet for at tjene som et frø, og da de frigjorde spændingen, atomerne fra kæden vendte pænt tilbage til båndform.

"Bor er meget anderledes end kulstof, "Sagde Yakobson." Den foretrækker at danne en dobbelt række af atomer, som et bindingsværk, der bruges til brobygning. Dette ser ud til at være det mest stabile, tilstand med lavest energi.

"Hvis du trækker i den, det begynder at udfolde sig; atomerne giver efter for denne monatomiske tråd. Og hvis du slipper styrken, det foldes tilbage, "sagde han." Det er ret sjovt, strukturelt, og det ændrer samtidig de elektroniske egenskaber.

"Det gør det til en interessant kombination:Når du strækker det halvvejs, du kan have en portion bånd og en del kæde. Fordi den ene er metal og den anden er en halvleder, dette bliver en endimensionel, justerbart Schottky-kryds. "Et Schottky-kryds er en barriere for elektroner ved et metal-halvlederkryds og bruges almindeligvis i dioder, der tillader strøm at strømme i kun en retning.

Som et bånd, boron is "a true 1-D metal robust to distortion of its crystalline lattice (a property known as Peierls distortion), " the researchers wrote. That truss-like construct gives the material extraordinary stiffness, a measure of its ability to resist deformation from an applied force.

As a chain of atoms, the material is also a strain-tunable, wide-gap antiferromagnetic semiconductor. In an antiferromagnet, the atomic moments—the direction of the atoms' "up" or "down" spin states—align in opposite directions. This coupling of magnetic state and electronic transport may be of great interest to researchers studying spintronics, in which spin states may be manipulated to create high-performance electronic devices. "It may be very useful because instead of charge transport, you can have spin transport. That's considered an important direction for devices that make use of spintronics, " han sagde.

One-dimensional boron's springiness is also interesting, Sagde Yakobson. "It's also a special spring, a constant-force spring, " he said. "The more you stretch a mechanical spring, the more the force goes up. But in the case of 1-D boron, the same force is required until the spring becomes fully stretched. If you keep pulling, it will break. But if you release the force, it completely folds back into a ribbon. It's a mechanically nice structure." That property could be useful in nanoscale sensors to gauge very small forces, han sagde.