De ontdekking van koolstofnanostructuren zoals tweedimensionaal grafeen en voetbalvormige buckyballs hielpen een nanotechnologische revolutie op gang te brengen. In recente jaren, onderzoekers van Brown University en elders hebben aangetoond dat boor, de buurman van koolstof op het periodiek systeem, kan ook interessante nanostructuren maken, inclusief tweedimensionaal borofeen en een buckyball-achtige holle kooistructuur genaamd borospheren.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van Brown en Tsinghua University hebben nog een boor-nanostructuur aan de lijst toegevoegd. In een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie , ze laten zien dat clusters van 18 booratomen en drie atomen van lanthanide-elementen een bizarre kooiachtige structuur vormen die ze nog nooit hebben gezien.

"Dit is gewoon niet een soort structuur die je verwacht te zien in de chemie, " zei Lai Sheng Wang, een professor in de chemie bij Brown en de senior auteur van de studie. "Toen we het artikel schreven, hadden we echt moeite om het te beschrijven. Het is eigenlijk een bolvormige drievlak. Normaal gesproken kun je geen gesloten driedimensionale structuur hebben met slechts drie zijden, maar omdat het bolvormig is, het werkt."

De onderzoekers hopen dat de nanostructuur licht kan werpen op de bulkstructuur en het chemische bindingsgedrag van boorlanthaniden, een belangrijke klasse materialen die veel wordt gebruikt in elektronica en andere toepassingen. De nanostructuur zelf kan ook interessante eigenschappen hebben, zeggen de onderzoekers.

"Lanthanide-elementen zijn belangrijke magnetische materialen, elk met heel verschillende magnetische momenten, Wang zei. "We denken dat een van de lanthaniden deze structuur zal maken, dus ze kunnen zeer interessante magnetische eigenschappen hebben."

Wang en zijn studenten creëerden de lanthanide-boorclusters door een krachtige laser te richten op een vast doelwit gemaakt van een mengsel van boor en een lanthanide-element. De clusters worden gevormd bij afkoeling van de verdampte atomen. Vervolgens gebruikten ze een techniek genaamd foto-elektronenspectroscopie om de elektronische eigenschappen van de clusters te bestuderen. De techniek omvat het zappen van clusters van atomen met een andere krachtige laser. Elke zap klopt een elektron uit het cluster. Door de kinetische energieën van die vrijgekomen elektronen te meten, onderzoekers kunnen een spectrum van bindingsenergieën creëren voor de elektronen die het cluster aan elkaar binden.

"Als we een eenvoudige, mooi spectrum, we weten dat er een prachtige structuur achter zit, ' zei Wang.

Om erachter te komen hoe die structuur eruit ziet, Wang vergeleek de foto-elektronenspectra met theoretische berekeningen van professor Jun Li en zijn studenten uit Tsinghua. Zodra ze een theoretische structuur hebben gevonden met een bindingsspectrum dat overeenkomt met het experiment, ze weten dat ze de juiste structuur hebben gevonden.

"Deze structuur was iets dat we nooit hadden voorspeld, Wang zei. "Dat is de waarde van het combineren van theoretische berekeningen met experimentele gegevens."

Wang en zijn collega's hebben de nieuwe structuren metallo-borospheren genoemd, en ze hopen dat verder onderzoek hun eigenschappen zal onthullen.