Rice University-forskare beräknade att tvådimensionella ark av rent metalliskt bor kunde ta många former, med kluster av vakanser där atomer faller ut ur matrisen, lämnar sexkantiga utrymmen. (Kredit:Evgeni Penev/Rice University)
(Phys.org) -- När är ingenting egentligen något? När det leder till en uppenbarelse om bor, ett element med världar av outforskad potential.
Teoretisk fysiker Boris Yakobson och hans team vid Rice University har tagit ett ovanligt tillvägagångssätt för att analysera de möjliga konfigurationerna av tvådimensionella ark av bor, som rapporterades denna vecka i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver .
Att behandla den som schweizisk ost – där hålen är lika definierande som själva osten – var nyckelbegreppet för att ta reda på hur atomtunna ark av bor kan se ut. De där arken, när den rullas in i ett ihåligt rör, eller nanorör, skulle kunna ha en tydlig fördel jämfört med kolnanorör; bor nanorör är alltid metalliska, medan kolatomerna i ett nanorör kan arrangeras för att bilda antingen metalliska eller halvledande nanorör. Denna variation i atomarrangemang - känd som kiralitet - är ett av de största hindren för bearbetning och utveckling av kolnanorör.
"Om jag drömmer vilt, Jag vill tro att nanorör av bor skulle göra en fantastisk energitransporterande kvanttråd, sade Yakobson, Rice’s Karl F. Hasselmann professor i maskinteknik och materialvetenskap och professor i kemi. "Det skulle ha fördelarna med kol, men utan utmaningen att välja en viss symmetri.”
Ett borgitter, även i bara två dimensioner, kan ha en rad konfigurationer, sa Yakobson. Fullpackad, det är ett lager av atomer ordnade i trianglar. Det är en ytterlighet. Men ta ut en atom, och det som var mitten av sex trianglar blir en hexagon. Ta ut alla sådana möjliga atomer och arket ser exakt ut som grafen, den tvådimensionella, enatomtjock form av kol som har varit på modet i världen av kemi och materialvetenskap under det senaste decenniet.
Mellan dessa två ytterligheter finns tusentals möjliga former av rent bor där saknade atomer lämnar mönster av sexkantiga hål.
Rice University-forskare ledda av teoretisk fysiker Boris Yakobson använde en teknik som vanligtvis tillämpas på legeringar för att utforska den rika variationen av tvådimensionell bor. De behandlade lediga platser i bor som hålen i schweizisk ost, som ett element som är väsentligt för dess existens. (Kredit:Evgeni Penev/Rice University)
"Kol är väldefinierat, sade Yakobson, vars teorier fokuserar på interaktionerna mellan atomer när de binder och bryts. "Alla avvikelser i grafens hexagonala form är vad vi kallar en defekt, som har negativa konnotationer.
"Men vi finner att det finns en rik variation av tvådimensionell bor, " sa han. "Det hela är renat - det finns inget icke-bor här, även om det finns lediga platser, tomma platser. Det fantastiska är att naturen föredrar att ha det så; Inte sexkantigt, där var tredje position saknar en atom, och inte ett triangulärt galler. Det optimala är precis i mitten.”
I den mest stabila mellanvägen, forskarna fann att 10 till 15 procent av boratomerna i ett gitter saknades, lämnar "vakanskoncentrationer" i en mängd olika mönster.
Yakobson sa att att använda traditionella beräkningsmetoder för att bedöma tusentals borkonfigurationer skulle ha kostat för mycket och tagit för lång tid. Så han och Rice-forskaren Evgeni Penev tillämpade klusterexpansion, en beräkningsmetod som är vanligare för legeringar.
"Evgeni gav det en twist:Han behandlade de tomma utrymmena som den andra legeringsingrediensen, på samma sätt kan du inte ha schweizisk ost utan "legerade i" tomrum och riktig ost. I denna beräkning, hålen är lika, fysisk enhet.”
Med utrymme som en pseudolegering, forskarna fann en rad formationsenergier man kan använda för att identifiera stabila ark av bor med speciella vakanskoncentrationer. De fann också att syntetiserade borlager förmodligen skulle vara polymorfa:Varje ark kunde innehålla ett virrvarr av mönster och fortfarande betraktas som rent bor.
"Polymorf betyder att alla dessa möjligheter är ganska lika, och lika sannolikt att bilda, " sa Yakobson.
"Detta är en liten del av den grundläggande fysiken, sa Penev. "Nästa steg är att överväga mer praktiska saker, som om det kan syntetiseras och under vilka förhållanden."
Yakobson, som 2007 först teoretiserade möjligheten av en 80-atoms bor "buckyball, ” sa att även om bor är svårt att arbeta med, den svårigheten gör det mer givande. "Å ena sidan, det är väldigt svårt att föreställa sig en möjlighet eller att få experimentella bevis. Å andra sidan, fältet är inte så trångt som grafen."
Medförfattare till artikeln är Rice postdoktorala forskare Somnath Bhowmick och Arta Sadrzadeh.
