Ett team av forskare från det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory, Northwestern University och Stony Brook University har, för första gången, skapade ett tvådimensionellt ark av bor - ett material som kallas borofen.

Forskare har varit intresserade av tvådimensionella material för deras unika egenskaper, särskilt när det gäller deras elektroniska egenskaper. Borofen är ett ovanligt material eftersom det uppvisar många metalliska egenskaper på nanoskala även om det är tredimensionellt, eller bulk, bor är icke-metalliskt och halvledande.

Eftersom borofen är både metalliskt och atomärt tunt, det lovar tänkbara tillämpningar från elektronik till solceller, sa Argonne nanoforskare Nathan Guisinger, som ledde experimentet. "Ingen bulkform av elementärt bor har detta metallliknande beteende, " han sa.

Studien kommer att publiceras den 18 december av tidskriften Vetenskap .

Liksom dess periodiska granne kol, som uppträder i naturen i former som sträcker sig från ödmjuk grafit till dyrbar diamant, bor bär ett antal olika ansikten, kallas allotroper. Men det är där likheterna slutar. Medan grafit består av högar av tvådimensionella ark som kan skalas av en i taget, det finns ingen sådan analog process för att göra tvådimensionell bor.

"Borofener är extremt spännande eftersom de skiljer sig ganska mycket från tidigare studerade tvådimensionella material, ", sa Guisinger. "Och eftersom de inte förekommer i naturen, utmaningen innebar att designa ett experiment för att producera dem syntetiskt i vårt labb."

Även om minst 16 bulk allotroper av bor är kända, forskare hade aldrig tidigare kunnat göra ett helt ark, eller monolager, av borofen. "Det är först på senare tid som forskare har kunnat göra små bitar av bor i nanoskala, sa Andrew Mannix, en Northwestern doktorand och första författare till studien. "Det här är ett helt nytt material med spännande egenskaper som vi precis har börjat undersöka."

"Boron har en rik historia och en mycket komplicerad kemi, " tillade Mark Hersam, professor i materialvetenskap och teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering and Applied Science, som hjälpte till att ge Mannix råd. "Det här är något som lätt inte kunde ha fungerat, men Andy hade modet och uthålligheten att få det att hända."

En av bors mest ovanliga egenskaper består av dess atomära konfiguration på nanoskala. Medan andra tvådimensionella material ser mer eller mindre ut som perfekt släta och jämna plan på nanoskala, borofen ser ut som wellpapp, bucklas upp och ner beroende på hur boratomerna binder till varandra, enligt Mannix.

"Åsarna" i denna kartongliknande struktur resulterar i ett materialfenomen som kallas anisotropi, där ett materials mekaniska eller elektroniska egenskaper – som dess elektriska ledningsförmåga – blir riktningsberoende. "Denna extrema anisotropi är sällsynt i tvådimensionella material och har inte setts tidigare i en tvådimensionell metall, sa Mannix.

Baserat på teoretiska förutsägelser om borofens egenskaper, forskarna märkte också att det sannolikt har en högre draghållfasthet än något annat känt material. Draghållfasthet hänvisar till förmågan hos ett material att motstå att gå sönder när det dras isär. "Andra tvådimensionella material har varit kända för att ha hög draghållfasthet, men det här kan vara det starkaste materialet vi har hittat hittills, sa Guisinger.

Upptäckten och syntesen av borofen hjälptes av datorsimuleringsarbete ledd av Stony Brook-forskarna Xiang-Feng Zhou och Artem Oganov, som för närvarande är knuten till Moskvainstitutet för fysik och teknik och Skolkovo Institute of Science and Technology. Oganov och Zhou använde avancerade simuleringsmetoder som visade uppkomsten av veck på den korrugerade ytan.

"Ibland hittar experimentalister ett material och de ber oss att lösa strukturen, och ibland gör vi förutsägelser först och experimentet validerar det vi hittar, "Oganov sa. "De två går hand i hand, och i detta internationella samarbete hade vi lite av båda."

"Kopplingen vi har mellan institutionerna gör att vi kan uppnå saker som vi inte skulle kunna göra ensamma, "Vi behövde kombinera sveptunnelmikroskopi med röntgenfotoelektronspektroskopi och transmissionselektronmikroskopi för att både få en bild av materialets yta och verifiera dess tjocklek i atomskala och kemiska egenskaper."

När de odlade borofenmonoskiktet, forskarna upptäckte ytterligare en fördel inom deras experimentella teknik. Till skillnad från tidigare experiment som använde mycket giftiga gaser i produktionen av borbaserade material i nanoskala, detta experiment involverade en icke-toxisk teknik som kallas elektronstråleavdunstning, som i huvudsak förångar ett källmaterial och sedan kondenserar en tunn film på ett substrat – i det här fallet, bor på silver.

"När vi gjorde vårt teoretiska arbete, Jag tvivlade på möjligheten att få tvådimensionell bor eftersom bor gillar att bilda kluster, och att stryka ut det i två dimensioner trodde jag skulle vara utmanande, " Sa Oganov. "Det visade sig att odling på substratet var nyckeln, eftersom bor och silvret visar sig inte reagera med varandra."