I ricercatori della Rice University hanno calcolato che i fogli bidimensionali di boro puramente metallico potrebbero assumere molte forme, con grappoli di posti vacanti in cui gli atomi escono dalla matrice, lasciando spazi esagonali. (Credito:Evgeni Penev/Rice University)
(Phys.org) -- Quando niente è davvero qualcosa? Quando conduce a una rivelazione sul boro, un elemento con mondi di potenziale inesplorato.
Il fisico teorico Boris Yakobson e il suo team alla Rice University hanno adottato un approccio insolito per analizzare le possibili configurazioni di fogli bidimensionali di boro, come riportato questa settimana sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere .
Trattarlo come formaggio svizzero - in cui i fori sono definiti come il formaggio stesso - è stato il concetto chiave per capire che aspetto avrebbero i fogli di boro sottili come un atomo. quei fogli, quando arrotolato in un tubo cavo, o nanotubo, potrebbe avere un netto vantaggio rispetto ai nanotubi di carbonio; i nanotubi di boro sono sempre metallici, mentre gli atomi di carbonio in un nanotubi possono essere disposti per formare nanotubi metallici o semiconduttori. Questa variazione nella disposizione atomica, nota come chiralità, è uno dei principali ostacoli all'elaborazione e allo sviluppo dei nanotubi di carbonio.
“Se sogno selvaggiamente, Mi piace pensare che i nanotubi di boro siano un ottimo cavo quantico per il trasporto di energia, "ha detto Yakobson, Karl F. Hasselmann di Rice, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e professore di chimica. “Avrebbe i vantaggi del carbonio, ma senza la sfida di selezionare una particolare simmetria.”
Un reticolo di boro, anche solo in due dimensioni, può avere una gamma di configurazioni, ha detto Yakobson. completamente imballato, è uno strato di atomi disposti in triangoli. Questo è un estremo. Ma togli un atomo, e quello che era il centro di sei triangoli diventa un esagono. Togli tutti questi possibili atomi e il foglio sembra esattamente come il grafene, il bidimensionale, forma spessa di carbonio di un singolo atomo che è stata di gran moda nel mondo della chimica e della scienza dei materiali negli ultimi dieci anni.
Tra questi due estremi ci sono migliaia di possibili forme di boro puro in cui gli atomi mancanti lasciano schemi di fori esagonali.
I ricercatori della Rice University guidati dal fisico teorico Boris Yakobson hanno utilizzato una tecnica solitamente applicata alle leghe per esplorare la ricca varietà di boro bidimensionale. Hanno trattato i posti vacanti nel boro come i buchi nel formaggio svizzero, come elemento essenziale della sua esistenza. (Credito:Evgeni Penev/Rice University)
“Il carbonio è ben definito, "ha detto Yakobson, le cui teorie si concentrano sulle interazioni in gioco tra gli atomi mentre si legano e si rompono. “Qualsiasi deviazione nella forma esagonale del grafene è ciò che chiamiamo difetto, che ha connotazioni negative.
"Ma scopriamo che esiste una ricca varietà di boro bidimensionale, ” ha detto. "È tutto purificato - non c'è non boro qui, anche se ci sono posti vacanti, siti vuoti. La cosa sorprendente è che la natura preferisce che sia così; Non esagonale, dove ogni terza posizione manca un atomo, e non un reticolo triangolare. L'optimum sta proprio nel mezzo".
In quella terra di mezzo più stabile, i ricercatori hanno scoperto che mancava dal 10 al 15 percento degli atomi di boro in un reticolo, lasciando "concentrazioni di posti vacanti" in una varietà di modelli.
Yakobson ha affermato che l'utilizzo di metodi computazionali tradizionali per valutare migliaia di configurazioni del boro sarebbe costato troppo e avrebbe richiesto troppo tempo. Quindi lui e il ricercatore della Rice Evgeni Penev hanno applicato l'espansione dei cluster, un metodo di calcolo più comunemente applicato alle leghe.
“Evgeni ha dato una svolta:ha trattato gli spazi vuoti come il secondo ingrediente della lega, allo stesso modo non puoi avere formaggio svizzero senza vuoti "legati" e formaggio vero. In questo calcolo, i fori sono uguali, entità fisica.”
Con lo spazio come pseudolega, i ricercatori hanno scoperto una serie di energie di formazione che si potrebbero impiegare per identificare fogli stabili di boro con particolari concentrazioni di posti vacanti. Hanno anche scoperto che gli strati di boro sintetizzato sarebbero probabilmente polimorfici:ogni foglio potrebbe contenere un miscuglio di modelli ed essere ancora considerato puro boro.
“Polimorfico significa che tutte queste possibilità sono praticamente uguali, e altrettanto probabile che si formi, "Ha detto Yakobson.
“Questa è una piccola parte della fisica fondamentale, ” ha detto Penev. “Il passo successivo è considerare cose più pratiche, come se può essere sintetizzato e in quali condizioni.”
Yakobson, che nel 2007 per primo ha teorizzato la possibilità di un "buckyball" di boro da 80 atomi, ” ha detto che mentre il boro è difficile da lavorare, quella difficoltà lo rende più gratificante. “Da una parte, è molto difficile concepire una possibilità o ottenere prove sperimentali. D'altra parte, il campo non è affollato come il grafene.”
I coautori dell'articolo sono i ricercatori postdottorato di Rice Somnath Bhowmick e Arta Sadrzadeh.
