(Phys.org) — La National Nanotechnology Initiative definisce la nanotecnologia come la comprensione e il controllo della materia su scala nanometrica, a dimensioni di circa 1 e 100 nanometri, dove fenomeni unici consentono nuove applicazioni. La nanotecnologia sta prendendo d'assalto il mondo, rivoluzionando i materiali e i dispositivi utilizzati in molte applicazioni e prodotti. Ecco perché una scoperta annunciata da Xiang-Feng Zhou e Artem R. Oganov, Gruppo di Cristallografia Teorica del Dipartimento di Geoscienze, sono così significativi.

La carta, "Allotropo di boro bidimensionale semimetallico con fermioni di Dirac senza massa, " è stato pubblicato il 27 febbraio in Lettere di revisione fisica . L'autore principale è il postdoc di Oganov a Stony Brook, Xiang Feng Zhou, che è anche professore associato presso la Nankai University di Tianjin, Cina.

"Il boro è per molti versi un analogo del carbonio, " dice Xiang-Feng. "Le sue nanostrutture—nanoparticelle, nanotubi, e strutture bidimensionali, hanno suscitato molto interesse nella speranza di replicare, o addirittura superando, le proprietà uniche e la diversità delle nanostrutture di carbonio. Abbiamo scoperto la struttura dei cristalli di boro bidimensionali, che è rilevante per le applicazioni elettroniche e per la comprensione delle nanostrutture di boro. I nostri risultati ribaltano le ipotesi e le previsioni di numerosi studi precedenti".

Il lavoro precedente aveva concluso che il boro bidimensionale adotterà la geometria dei fogli alfa piatti (strutture composte da schemi atomici triangolari ed esagonali) o dei loro analoghi. Questi risultati sono stati utilizzati per costruire nanotubi e nanoparticelle di boro con proprietà uniche, come l'elevata resistenza meccanica e la conduttività elettronica regolabile.

"Abbiamo scoperto che il foglio alfa è massicciamente instabile; questo mette in dubbio i precedenti modelli di nanostrutture di boro, " dice Oganov. "In particolare, abbiamo scoperto che le strutture piatte monostrato di boro sono estremamente instabili, e le strutture reali hanno spessore finito. Questo risultato porterà probabilmente a una revisione dei modelli strutturali di nanoparticelle e nanotubi di boro. In particolare, è possibile che vuoto, strutture simili al fullerene saranno instabili per il boro."

Oganov afferma che la struttura bidimensionale del boro appena scoperta possiede proprietà superiori a quelle del grafene. "All'interno della struttura del boro 2D, gli elettroni viaggiano a velocità paragonabili a quella della luce, e si comportano come se fossero privi di massa; in alcune direzioni, gli elettroni viaggiano più velocemente di quanto non facciano nel grafene. Questo può essere molto vantaggioso per i futuri dispositivi elettronici".

Mentre la velocità non dipende dalla direzione nel grafene, la nuova struttura del boro mostra dipendenza direzionale. Nella direzione più lenta, le elezioni viaggiano più lentamente del 38% nel boro rispetto al grafene. Ma nella direzione perpendicolare, le elezioni viaggiano il 34% più velocemente in boro. Questa è la proprietà che potrebbe essere utile per le applicazioni elettroniche.

I risultati sono stati resi possibili dal codice di previsione della struttura USPEX (Universal Structure Predictor:Evolutionary Xrystallography) che è stato sviluppato da Oganov e dal suo laboratorio. USPEX sposa un potente, algoritmo di ottimizzazione globale con meccanica quantistica ed è utilizzato da più di 1600 scienziati in tutto il mondo.

I ricercatori hanno in programma di esplorare la struttura delle nanoparticelle di boro; ritengono che le precedenti conclusioni sul campo dovranno essere rivalutate. Come ogni sana indagine scientifica, Xiang-Feng dice, "Questo lavoro solleva più domande che risposte. Come prepariamo sperimentalmente le strutture bidimensionali del boro, data l'elevata reattività chimica dell'elemento? Mentre i precedenti modelli strutturali erano errati, in che modo questo influisce sulle strutture delle nanoparticelle e dei nanotubi di boro, e le loro proprietà elettroniche? Questa ricerca pone le basi per una nuova ondata di indagini sulla fisica e la chimica dei materiali a base di boro e conferma la potenza del metodo USPEX".