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

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 zdolności do tworzenia złożonych sieci wiązań. W przeciwieństwie do węgla, który zazwyczaj 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.

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

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

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

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 zazwyczaj prowadzi do większej stabilności nanostruktur boru, podczas gdy ich właściwości 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 właściwości 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, że bor pozostaje wyjątkowo elastyczną platformą do tworzenia regulowanych materiałów w nanoskali, tworząc pomost między światem molekularnym a dwuwymiarowym” - czytamy w informacji prasowej.

Nauka w Polsce

lt/ agt/