Onderzoekers van Brown University hebben experimenteel aangetoond dat een op boor gebaseerde concurrent van grafeen een zeer reële mogelijkheid is.

Grafeen is aangekondigd als een wondermateriaal. Gemaakt van een enkele laag koolstofatomen in een honingraatarrangement, grafeen is pond-voor-pond sterker dan staal en geleidt elektriciteit beter dan koper. Sinds de ontdekking van grafeen, wetenschappers hebben zich afgevraagd of boor, de buurman van koolstof op het periodiek systeem, kan ook worden gerangschikt in vellen met één atoom. Theoretisch werk suggereerde dat het mogelijk was, maar de atomen zouden in een heel specifieke rangschikking moeten zijn.

Borium heeft één elektron minder dan koolstof en kan daardoor niet het honingraatrooster vormen waaruit grafeen bestaat. Om boor een laag met één atoom te laten vormen, theoretici suggereerden dat de atomen moeten worden gerangschikt in een driehoekig rooster met zeshoekige vacatures - gaten - in het rooster.

"Dat was de voorspelling, " zei Lai Sheng Wang, hoogleraar scheikunde aan Brown, "maar niemand had iets gemaakt om aan te tonen dat dat het geval is."

Wang en zijn onderzoeksgroep, die jarenlang boorchemie heeft gestudeerd, hebben nu het eerste experimentele bewijs geleverd dat een dergelijke structuur mogelijk is. In een paper gepubliceerd op 20 januari in Natuurcommunicatie , Wang en zijn team toonden aan dat een cluster gemaakt van 36 booratomen (B36) een symmetrische, schijf van één atoom dik met een perfect zeshoekig gat in het midden.

"Het is mooi, " zei Wang. "Het heeft een exacte zeshoekige symmetrie met het zeshoekige gat waar we naar op zoek waren. Het gat is hier van grote betekenis. Het suggereert dat deze theoretische berekening over een boorplanaire structuur juist zou kunnen zijn."

Het kan mogelijk zijn, Wang zei, om B36-basis te gebruiken om een ​​uitgebreide vlakke boorplaat te vormen. Met andere woorden, B36 is misschien wel het embryo van een nieuw nanomateriaal dat Wang en zijn team 'borofeen' hebben genoemd.

"We hebben nog maar één eenheid, " zei Wang. "We hebben nog geen borofeen gemaakt, maar dit werk suggereert dat deze structuur meer is dan alleen een berekening."

Het werk vereiste een combinatie van laboratoriumexperimenten en computationele modellering. In het labortorium, Wang en zijn leerling, Wei-Li Li, de eigenschappen van boorclusters onderzoeken met behulp van een techniek die foto-elektronenspectroscopie wordt genoemd. Ze beginnen met het zappen van grote hoeveelheden boor met een laser om damp van booratomen te creëren. Een straal helium bevriest vervolgens de damp in kleine clusters van atomen. Die clusters worden dan gezapt met een tweede laser, die een elektron uit het cluster slaat en het door een lange buis laat vliegen die Wang zijn 'elektronenracebaan' noemt. De snelheid waarmee het elektron over het circuit vliegt, wordt gebruikt om het elektronenbindende energiespectrum van het cluster te bepalen - een uitlezing van hoe stevig het cluster zijn elektronen vasthoudt. Dat spectrum dient als vingerafdruk van de structuur van het cluster.

De experimenten van Wang toonden aan dat het B36-cluster iets bijzonders was. Het had een extreem lage elektronenbindingsenergie in vergelijking met andere boorclusters. De vorm van het bindingsspectrum van de cluster suggereerde ook dat het een symmetrische structuur was.

Om erachter te komen hoe die structuur er precies uit zou kunnen zien, Wang wendde zich tot Zachary Piazza, een van zijn afgestudeerde studenten die gespecialiseerd is in computationele chemie. Piazza begon potentiële structuren voor B36 te modelleren op een supercomputer, meer dan 3 onderzoeken, 000 mogelijke rangschikkingen van die 36 atomen. Een van de opstellingen die stabiel zou zijn, was de vlakke schijf met het zeshoekige gat.

"Zodra ik dat zeshoekige gat zag, "Wan zei, "Ik vertelde Zach, 'Dat moeten we onderzoeken.'"

Om ervoor te zorgen dat ze echt de meest stabiele rangschikking van de 36 booratomen hebben gevonden, ze riepen de hulp in van Jun Li, die hoogleraar scheikunde is aan de Tsinghua University in Peking en voormalig senior onderzoeker aan het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) in Richland, Was. Li, een oude medewerker van Wang's, heeft een nieuwe methode ontwikkeld om stabiele structuren van clusters te vinden, die geschikt zou zijn voor de klus. Piazza bracht de zomer van 2013 bij PNNL door met Li en zijn studenten aan het B36-project. Ze gebruikten de supercomputer van PNNL om meer mogelijke rangschikkingen van de 36 booratomen te onderzoeken en hun elektronenbindingsspectra te berekenen. Ze ontdekten dat de vlakke schijf met een zeshoekig gat zeer goed overeenkwam met het spectrum gemeten in de laboratoriumexperimenten, wat aangeeft dat de structuur die Piazza aanvankelijk op de computer vond, inderdaad de structuur van B36 was.

Die structuur voldoet ook aan de theoretische vereisten voor het maken van borofeen, wat een buitengewoon interessant vooruitzicht is, zei Wang. De boor-boor binding is erg sterk, bijna net zo sterk als de koolstof-koolstofbinding. Dus borofeen moet erg sterk zijn. De elektrische eigenschappen ervan zijn misschien nog interessanter. Er wordt voorspeld dat borofeen volledig metallisch is, terwijl grafeen een halfmetaal is. Dat betekent dat borofeen een betere geleider kan worden dan grafeen.

"Dat is, "Wang waarschuwt, "Als iemand het kan."

In het licht van dit werk, dat vooruitzicht lijkt veel waarschijnlijker.