Od fulerenów do struktur 2D: przepis na projektowanie nanostruktur boru

Fizyk z UW opracował model wyjaśniający różnorodność nanostruktur boru, od pustych w środku klastrów molekularnych po ultracienkie warstwy 2D. Odkrycie to pozwala nie tylko zrozumieć istniejące nanostruktury boru, ale także przewidywać i projektować nowe materiały o pożądanych adekwatnościach.

Dr hab. Nevill Gonzalez Szwacki z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego opracował istotny model wyjaśniający różnorodność nanostruktur boru. Jego badania opublikowane w prestiżowym „2D Materials”, podsumowano komunikacie Wydziału Fizyki UW.

Nanostruktury boru

Przedstawiona w artykule analiza obejmuje ponad tuzin znanych nanostruktur boru, w tym eksperymentalnie zaobserwowane fulereny B₄₀ i B₈₀. Fulereny to struktury zbudowane z atomów jednego pierwiastka połączonych w kształt klatki przypominającej piłkę. Dotąd mówiło się głównie o fulerenach zbudowanych z atomów węgla. Jak się jednak okazuje, można je także zbudować z atomów boru.

Bor, pierwiastek chemiczny sąsiadujący z węglem w układzie okresowym, jest znany ze swojej wyjątkowej umiejętności tworzenia złożonych sieci wiązań. W przeciwieństwie do węgla, który zwykle łączy się z dwoma lub trzema sąsiadami, bor potrafi uwspólniać elektrony z wieloma atomami jednocześnie. Prowadzi to do powstawania szerokiej gamy nanostruktur, obejmujących zarówno fulereny, puste w środku klastry atomowe, jak i borofeny, czyli ultracienkie, metaliczne warstwy boru zbudowane z połączonych ze sobą trójkątnych i sześciokątnych jednostek.

Najbliżsi sąsiedzi

W komunikacie wyjaśniono, iż klucz do stabilności i adekwatności elektronowych struktur z udziałem boru tkwi w liczbie koordynacyjnej, czyli liczbie najbliższych sąsiadów danego atomu.

Z wykorzystaniem obliczeń kwantowo-mechanicznych z pierwszych zasad pokazano, iż adekwatności strukturalne, energetyczne i elektronowe tych układów można przewidzieć na podstawie udziału atomów tworzących wiązania z czterema, pięcioma i sześcioma sąsiadami.

Te powiązania strukturalne sugerują, iż nowe fulerenowe formy boru mogą zostać otrzymane poprzez wykorzystanie znanych faz borofenu jako szablonów.

Ogólne tendencje

To podejście, oparte na liczbie koordynacyjnej, nie tylko łączy rodziny struktur wcześniej analizowane odrębnie, ale także wyjaśnia ogólne tendencje: zestawienie atomów boru z wyższą liczbą koordynacyjną zwykle prowadzi do większej stabilności nanostruktur boru, podczas gdy ich adekwatności elektronowe zależą w większym stopniu od geometrii i sposobu ułożenia orbitali.

Na przykład, niektóre fulereny borowe, takie jak B₄₀, charakteryzują się dużymi przerwami energetycznymi dzięki swojej zwartej i symetrycznej budowie, podczas gdy struktury złożone z atomów boru o wyższej liczbie koordynacyjnej mogą mieć bardzo małą lub mniejszą przerwę energetyczną. W związku z tym liczba połączeń atomowych jest czynnikiem jednoczącym i predykcyjnym, a nie bezpośrednim wskaźnikiem adekwatności elektronowych.

– Przedstawiona koncepcja stanowi przewodnik po projektowaniu nowych nanostruktur boru o określonych cechach: magnetycznych, elektronowych czy mechanicznych. Może ona także wspierać przyszłe eksperymenty wykorzystujące metody wiązki klastrów lub wzrostu na powierzchni – podkreśla cytowany w komunikacie FUW dr Nevill Gonzalez Szwacki.

„Publikacja naukowca z UW pokazuje, iż bor pozostaje wyjątkowo elastyczną platformą do tworzenia regulowanych materiałów w nanoskali, tworząc pomost między światem molekularnym a dwuwymiarowym” – czytamy w informacji prasowej.

Źródło: www.naukawpolsce.pl, fot. Pixabay/ CC0