(Phys.org) – National Nanotechnology Initiative definierar nanoteknik som förståelse och kontroll av materia på nanoskala, vid dimensioner på cirka 1 och 100 nanometer, där unika fenomen möjliggör nya tillämpningar. Nanoteknik tar världen med storm, revolutionerar de material och enheter som används i många applikationer och produkter. Det är därför ett fynd som meddelats av Xiang-Feng Zhou och Artem R. Oganov, Grupp för teoretisk kristallografi vid institutionen för geovetenskap, är så betydelsefulla.

Pappret, "Halvmetallisk tvådimensionell borallotrop med masslösa Dirac-fermioner, " publicerades den 27 februari i Fysiska granskningsbrev . Huvudförfattaren är Oganovs postdoc i Stony Brook, Xiang-Feng Zhou, som också är docent vid Nankai University i Tianjin, Kina.

"Bor är på många sätt en analog av kol, " säger Xiang-Feng. "Dess nanostrukturer – nanopartiklar, nanorör, och tvådimensionella strukturer – har väckt stort intresse i hopp om att replikera, eller till och med överträffa, kolnanostrukturernas unika egenskaper och mångfald. Vi upptäckte strukturen för tvådimensionella borkristaller, som är relevant för elektroniska applikationer och för att förstå bornanostrukturer. Våra resultat kullkastar antagandena och förutsägelserna från många tidigare studier."

Tidigare arbete hade kommit fram till att tvådimensionell bor kommer att anta geometrin hos platta alfaark (strukturer som består av triangulära och hexagonala atommönster) eller deras analoger. Dessa fynd användes för att konstruera bor nanorör och nanopartiklar med unika egenskaper, såsom hög mekanisk hållfasthet och avstämbar elektronisk konduktivitet.

"Vi fann att alfaarket är enormt instabilt; detta ställer tvivel på tidigare modeller av bornanostrukturer, "Oganov säger. "Särskilt, vi upptäckte att platta monolagerstrukturer av bor är extremt instabila, och de faktiska strukturerna har ändlig tjocklek. Detta resultat kommer sannolikt att leda till en översyn av strukturella modeller av bornanopartiklar och nanorör. Särskilt, det är möjligt att ihåliga, fullerenliknande strukturer kommer att vara instabila för bor."

Oganov säger att den nyupptäckta tvådimensionella borstrukturen har egenskaper som är bättre än grafen. "Inom 2D-borstrukturen, elektroner färdas med hastigheter som är jämförbara med ljusets hastighet, och beter sig som om de vore masslösa; åt vissa håll, elektronerna färdas snabbare än de gör i grafen. Detta kan vara mycket fördelaktigt för framtida elektroniska enheter."

Även om hastighet inte beror på riktning i grafen, den nya borstrukturen uppvisar riktningsberoende. I långsammaste riktningen, valen går 38% långsammare i bor än i grafen. Men i vinkelrät riktning, valen går 34% snabbare i bor. Detta är den egendom som kan vara av värde för elektroniska ansökningar.

Fynden möjliggjordes av strukturprediktionskoden USPEX (Universal Structure Predictor:Evolutionary Xrystallography) som utvecklades av Oganov och hans labb. USPEX gifter sig med en kraftfull, global optimeringsalgoritm med kvantmekanik och används av mer än 1600 forskare runt om i världen.

Forskarna planerar nästa att utforska strukturen hos bornanopartiklar; de tror att tidigare slutsatser på området kommer att behöva omvärderas. Som alla sunda vetenskapliga undersökningar, Xiang-Feng säger, "Detta arbete väcker fler frågor än svar. Hur förbereder vi experimentellt de tvådimensionella strukturerna av bor, med tanke på grundämnets höga kemiska reaktivitet? Medan tidigare strukturella modeller var felaktiga, hur påverkar detta strukturerna hos bornanopartiklar och nanorör, och deras elektroniska egenskaper? Denna forskning sätter scenen för en ny våg av undersökningar av fysik och kemi hos borbaserade material och bekräftar kraften i USPEX-metoden."