Borofen kolejnym dwuwymiarowym materiałem?

Uzyskanie grafenu, alotropowej odmiany węgla zbudowanej z pojedynczej warstwy atomów można uważać za początek rozwoju stabilnych materiałów o strukturze dwuwymiarowej. Przełom otworzył możliwość wyodrębniania i odkrywania fascynujących właściwości pojedynczych warstw atomowych składających się także z innych pierwiastków. Jak poinformowali naukowcy z Brown University w Stanach Zjednoczonych, nowym członkiem dwuwymiarowej rodziny może stać się “borofen” – unikalna, płaska struktura z klastrów liczących 36 atomów boru, z charakterystycznym sześciokątnym otworem na środku.

Materiały dwuwymiarowe zadziwiają swoimi właściwościami mechanicznymi, elastycznością oraz wysokim przewodnictwem elektrycznym i cieplnym. O kilku z nich informowaliśmy już na naszych łamach. Najbardziej znanymi monowarstwami, które elektryzują naukowców i świat przemysłu są struktury disiarczku molibdenu (MoS2), heksagonalnego azotku boru (h-BN), silicenu (krzemenu) oraz wspomnianego wcześniej grafenu. Od odkrycia tego ostatniego, badacze zastanawiali się, czy sąsiądujący z węglem w układzie okresowym bor, może tworzyć płaskie struktury o grubości pojedynczego atomu. Prace teoretyczne sugerowały taką możliwość, jednak atomy musiałyby być ułożone w charakterystyczny wzór. Eksperymentalne i teoretyczne badania przeprowadzone przez inżynierów z Brown University wskazują na realną możliwość wyizolowania pożądanej warstwy. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane 20 stycznia 2014 w czasopiśmie Nature Communications.

Bor (B) jest pierwiastkiem o liczbie atomowej 5, niemetalem zlokalizowanym w 13 grupie i bloku p układu okresowego. Pod względem chemicznym przypomina krzem i węgiel, gdyż tworzy borowodory – analogi węglowodorów i krzemowodorów. Wyróżnia się bor amorficzny, w postaci proszku o brązowym kolorze oraz bor krystaliczny – czarne, bardzo twarde (9,3-9,5 w skali Mohsa) kompozycje o niskiej przewodności w temperaturze pokojowej. Bor posiada wysoką temperaturę topnienia – 2075 °C (ze względu na mocne wiązania kowalencyjne), jego zawartość w skorupie ziemskiej to około 0,001%. W naturze nie występuję samodzielnie jako wolny pierwiastek, a jego ważniejsze minerały to kernit (Na2B4O7 · 4 H2O), boraks (Na2B4O7 · 10 H2O), kolemanit (CaB3O4(OH)3 · H2O), uleksyt (NaCaB5O6(OH)6 · 5 H2O) i sassolin (H3BO3). Depozyty handlowe boru na całym świecie szacowane są na około 10 mln ton. Największymi producentami są Turcja i Stany Zjednoczone (Turcja posiada 63% rezerw światowego boru). Bor służy głównie jako dodatek w produkcji szkła i ceramiki, produktów do prania i czyszczenia, nietoksycznych środków owadobójczych i konserwantów, a także domieszek do półprzewodników.

Bor, w przeciwieństwie do węgla nie może utworzyć sześciokątnej struktury o wyglądzie pojedynczej komórki pszczelego plastra, ze względu na niedobór elektronów. Jednak symulacje komputerowe pokazały możliwość stworzenia kompozycji z większej liczby atomów. W laboratorium, naukowcy za pomocą spektroskopii fotoelektronów próbowali uzyskać pożądane, płaskie klastry. Wiązka lasera skierowana na proszek borowy utworzyła pary atomów boru. Następnie, przy użyciu strumienia helu pary scalane były w drobne skupiska. Kolejny laser uderzał w niewielkie klastry i wybijał elektrony z atomów ulokowanych na powierzchni próbki. Powstałe widma były wyznaczonymi doświadczalnie energiami wiązań molekularnych, które są charakterystyczne i niepowtarzalne dla każdego rodzaju struktury (tak jak odcisk palca u człowieka). Eksperymenty wykazały, że klastry zbudowane z 36 atomów boru miały bardzo niską energię wiązań elektronów w porównaniu do innych [3]. Kształt widma sugerował, heksagonalną symetrię struktury.

Klaster z 36 atomów boru (z lewej) w postaci kwazipłaskiej (prawie płaskiej) płyty z sześciokątnym otworem w środku. Struktura pasuje do teoretycznych wymagań “borofenu” – dwuwymiarowego arkusza z atomów boru (z prawej) [7].

W celu odnalezienia dokładnego wyglądu klastra posłużono się superkomputerem. Wynikiem modelowania było ponad 3000 możliwych rozwiązań dla ułożenia z 36 atomów boru. Wśród stabilnych modeli, pojawiła się kwazipłaska konstrukcja z sześciokątnym otworem na środku. Okazało się, że widma zmierzone w doświadczeniach laboratoryjnych pasowały do teoretycznej struktury B36. Konstrukcja odpowiadała również wcześniej ustalonym założeniom dla hipotetycznego borofenu (z ang. borophene).

Wiązanie bor-bor jest niemal tak silne jak wiązanie węgiel-węgiel. Można zakładać, że borofen będzie prawie tak wytrzymały mechanicznie jak grafen. Jego właściwości elektryczne mogą być jeszcze bardziej interesujące. Naukowcy przewidują, iż borofen będzie zachowywał się jak przewodnik. Oczywiście, jeśli uda się go otrzymać. W świetle tej pracy, perspektywa wydaje się o wiele bardziej prawdopodobna. Płaska struktura B36 może potencjalnie dać podstawę do syntezy rozszerzonych borowych arkuszy z pojedynczych atomów.

Źródło:
[1] Zachary A. Piazza, Han-Shi Hu, Wei-Li Li, Ya-Fan Zhao, Jun Li, Lai-Sheng Wang. Planar hexagonal B36 as a potential basis for extended single-atom layer boron sheets. Nature Communications, 2014; 5 DOI: 10.1038/ncomms4113
[2] http://www.nature.com/ncomms/2014/140120/ncomms4113/full/ncomms4113.html [28.01.2014]
[3] http://www.nature.com/ncomms/2014/140120/ncomms4113/extref/ncomms4113-s1.pdf [28.01.2014]
[4] http://news.brown.edu/pressreleases/2014/01/borophene [28.01.2014]
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Boron [28.01.2014]
[6] Multiphoton imaging and spectroscopy laboratory by University of Exeter, flickr.com, CC BY 2.0
[7] Unlocking the secrets of the B36 cluster, dzięki uprzejmości Wang lab/Brown University, wszystkie prawa zastrzeżone