Vasthouden, daar, grafeen. Je zou kunnen denken dat je het meest interessante nieuwe nanomateriaal van de eeuw bent, maar borium heeft je misschien al verslagen, volgens wetenschappers van Rice University.

Een Rice-team dat eendimensionale vormen van boor simuleerde - zowel linten met een breedte van twee atomen als kettingen met één atoom - ontdekte dat ze unieke eigenschappen bezitten. De nieuwe bevindingen verschijnen deze week in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Bijvoorbeeld, als metalen boriumlinten worden uitgerekt, ze veranderen in antiferromagnetische halfgeleidende ketens, en wanneer ze worden losgelaten, vouwen ze terug in linten.

De 1-D boormaterialen hebben ook een mechanische stijfheid die vergelijkbaar is met de best presterende bekende nanomaterialen.

En ze kunnen fungeren als nanoschaal, constante kracht veren.

Experimentele laboratoria boeken vooruitgang bij het synthetiseren van atoom-dun en fullereen-type boor, waardoor Rice-onderzoeker Boris Yakobson dacht dat 1-D-borium uiteindelijk ook echt zou kunnen worden.

Het laboratorium van Yakobson maakt computersimulaties op atoomniveau van materialen die nog niet noodzakelijkerwijs bestaan. Het simuleren en testen van hun energetische eigenschappen helpt experimentatoren te begeleiden bij het maken van materialen uit de echte wereld. Koolstofatoomketens bekend als carbine, boor fullerenen en tweedimensionale films genaamd borofeen, allemaal voorspeld door de Rice-groep, zijn sindsdien gemaakt door laboratoria.

"Ons werk aan carbyn en met vlak boor deed ons denken dat een eendimensionale keten van booratomen ook een mogelijke en intrigerende structuur is, " Zei Yakobson. "We wilden weten of het stabiel is en wat de eigenschappen zouden zijn. Dat is waar moderne theoretisch-computationele methoden indrukwekkend zijn, omdat men vrij realistische inschattingen kan maken van niet-bestaande structuren.

"Zelfs als ze nooit bestaan, ze zijn nog steeds belangrijk omdat we de grenzen van de mogelijkheden aftasten, soort van de laatste grens, " hij zei.

Eendimensionaal boor vormt twee goed gedefinieerde fasen - kettingen en linten - die zijn verbonden door een "omkeerbare faseovergang, " wat betekent dat ze van de ene vorm naar de andere en terug kunnen draaien.

Om deze interessante chemomechanica te demonstreren, de onderzoekers gebruikten een computer om de uiteinden van een gesimuleerd boorlint met 64 atomen te "trekken". Dit dwong de atomen om zich te herschikken tot een enkele carbine-achtige keten. In hun simulatie de onderzoekers lieten een fragment van het lint achter om als zaadje te dienen, en toen ze de spanning loslieten, de atomen uit de ketting keerden netjes terug in lintvorm.

"Boor is heel anders dan koolstof, Yakobson zei. "Het geeft er de voorkeur aan een dubbele rij atomen te vormen, als een truss die wordt gebruikt in de bruggenbouw. Dit lijkt de meest stabiele, staat met de laagste energie.

"Als je eraan trekt, het begint zich te ontvouwen; de atomen geven toe aan deze mono-atomaire draad. En als je de kracht loslaat, het vouwt terug, "zei hij. "Dat is best leuk, structureel, en tegelijkertijd verandert het de elektronische eigenschappen.

"Dat maakt het een interessante combinatie:als je het halverwege uitrekt, je hebt misschien een deel van het lint en een deel van de ketting. Omdat de ene van metaal is en de andere een halfgeleider, dit wordt een eendimensionaal, verstelbare Schottky-overgang." Een Schottky-overgang is een barrière voor elektronen op een metaal-halfgeleiderovergang en wordt vaak gebruikt in diodes die stroom in slechts één richting laten stromen.

Als een lint, 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, " hij zei.

One-dimensional boron's springiness is also interesting, zei 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, hij zei.