• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Grafenliknande material tillverkat av bor en möjlighet, experiment tyder på

    Detta visar ett 36-atoms kluster av bor, vänster, arrangerad som en platt skiva med ett sexkantigt hål i mitten, passar de teoretiska kraven för att göra en enatoms tjock borskiva, höger, ett teoretiskt nanomaterial kallat "borofen". Kredit:Wang Lab / Brown University

    Forskare från Brown University har experimentellt visat att en borbaserad konkurrent till grafen är en mycket verklig möjlighet.

    Grafen har utropats som ett undermaterial. Tillverkad av ett enda lager av kolatomer i ett bikakearrangemang, grafen är starkare pund för pund än stål och leder elektricitet bättre än koppar. Sedan upptäckten av grafen, forskare har undrat om bor, kolets granne i det periodiska systemet, skulle också kunna ordnas i ark med en atom. Teoretiskt arbete antydde att det var möjligt, men atomerna skulle behöva vara i ett mycket speciellt arrangemang.

    Bor har en elektron mindre än kol och kan därför inte bilda det bikakenät som grafen utgör. För att bor ska bilda ett enatomslager, teoretiker föreslog att atomerna måste ordnas i ett triangulärt gitter med hexagonala vakanser - hål - i gittret.

    "Det var förutsägelsen, " sa Lai-Sheng Wang, professor i kemi vid Brown, "men ingen hade gjort något för att visa att så är fallet."

    Wang och hans forskargrupp, som har studerat borkemi i många år, har nu tagit fram det första experimentella beviset för att en sådan struktur är möjlig. I en tidning publicerad den 20 januari i Naturkommunikation , Wang och hans team visade att ett kluster gjord av 36 boratomer (B36) bildar en symmetrisk, en-atoms tjock skiva med ett perfekt sexkantigt hål i mitten.

    "Det är vackert, " Wang sa. "Den har exakt sexkantig symmetri med det sexkantiga hålet vi letade efter. Hålet är av verklig betydelse här. Det tyder på att denna teoretiska beräkning om en borplan struktur kan vara rätt."

    Det kan vara möjligt, Wang sa, att använda B36-bas för att bilda ett förlängt plant borark. Med andra ord, B36 kan mycket väl vara embryot till ett nytt nanomaterial som Wang och hans team har kallat "borofen".

    "Vi har fortfarande bara en enhet, " sa Wang. "Vi har inte gjort borofen ännu, men detta arbete antyder att denna struktur är mer än bara en beräkning."

    Arbetet krävde en kombination av laboratorieexperiment och beräkningsmodellering. I labbet, Wang och hans elev, Wei-Li Li, undersöka egenskaperna hos borkluster med hjälp av en teknik som kallas fotoelektronspektroskopi. De börjar med att zappa bitar av bulkbor med en laser för att skapa ånga av boratomer. En heliumstråle fryser sedan ångan till små kluster av atomer. Dessa kluster zappas sedan med en andra laser, som slår ut en elektron ur klustret och skickar den att flyga nerför ett långt rör som Wang kallar sin "elektronracingbana". Hastigheten med vilken elektronen flyger nerför racerbanan används för att bestämma klustrets elektronbindande energispektrum - en avläsning av hur hårt klustret håller sina elektroner. Det spektrumet fungerar som fingeravtryck av klustrets struktur.

    Wangs experiment visade att B36-klustret var något speciellt. Den hade en extremt låg elektronbindningsenergi jämfört med andra borkluster. Formen på klustrets bindningsspektrum antydde också att det var en symmetrisk struktur.

    För att ta reda på exakt hur den strukturen kan se ut, Wang vände sig till Zachary Piazza, en av hans doktorander som specialiserat sig på beräkningskemi. Piazza började modellera potentiella strukturer för B36 på en superdator, undersöker mer än 3, 000 möjliga arrangemang av dessa 36 atomer. Bland de arrangemang som skulle vara stabila var den plana skivan med det sexkantiga hålet.

    "Så fort jag såg det där sexkantiga hålet, "Wang sa, "Jag sa till Zach, "Vi måste undersöka det."

    För att säkerställa att de verkligen har hittat det mest stabila arrangemanget av de 36 boratomerna, de tog hjälp av Jun Li, som är professor i kemi vid Tsinghua University i Peking och en tidigare senior forskare vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) i Richland, Tvätta Li, en mångårig medarbetare till Wang, har utvecklat en ny metod för att hitta stabila strukturer av kluster, som skulle passa för det aktuella jobbet. Piazza tillbringade sommaren 2013 på PNNL och arbetade med Li och hans elever på B36-projektet. De använde superdatorn på PNNL för att undersöka fler möjliga arrangemang av de 36 boratomerna och beräkna deras elektronbindningsspektra. De fann att den plana skivan med ett sexkantigt hål stämde mycket nära det spektrum som uppmättes i laboratorieexperimenten, vilket indikerar att strukturen som Piazza från början hittade på datorn verkligen var strukturen hos B36.

    Den strukturen passar också de teoretiska kraven för att göra borofen, vilket är ett mycket intressant perspektiv, sa Wang. Bor-borbindningen är mycket stark, nästan lika stark som kol-kolbindningen. Så borofen borde vara väldigt starkt. Dess elektriska egenskaper kan vara ännu mer intressanta. Borofen förutspås vara helt metalliskt, medan grafen är en halvmetall. Det betyder att borofen kan bli en bättre ledare än grafen.

    "Det är, "Wang varnar, "om någon klarar det."

    Mot bakgrund av detta arbete, den utsikten verkar mycket mer sannolikt.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com