В 1985 году открытие фуллерена — молекулы, состоящей из 60 атомов углерода и поразительно похожей по форме на футбольный мяч, дало мощный толчок развитию нанотехнологий. Вслед за фуллереном были получены и другие полые структуры, в том числе известные сегодня всем углеродные нанотрубки, а также графен — материал, который представляет собой лист из атомов углерода, толщиной в одну молекулу. Все они проявили уникальные свойства и постоянно находят применение на передовой различных областей науки, включая медицину.
Успех углерода не давал покоя химикам. Учёные стремились обнаружить склонность и других химических элементов к образованию аналогичных структур с уникальными свойствами. Одним из популярных кандидатов стал ближайший сосед по таблице Менделеева — бор. Именно им и заинтересовался в своё время профессор Лай-Шэн Ван (Lai-Sheng Wang) из университета Брауна.
Атом бора имеет в своём составе на один электрон меньше, и поэтому он не может образовывать абсолютно идентичные с углеродом структуры, в частности сложенный из шестиугольников и пятиугольников мяч.
Команда профессора Вана и его китайские коллеги изучали структуры из атомов бора на протяжении многих лет. Ранее в этом году учёные опубликовали статью, в которой описали кластеры бора, представляющие собой диски из 36 атомов толщиной в один слой. Сшитые вместе эти структуры представляют собой аналог графена, который получил название "борофен". Ещё в процессе работы над ним химики заметили, что кластеры их 40 атомов бора обладают особенной стабильностью.
Новое исследование пришлось начать с компьютерного моделирования с использованием мощных суперкомпьютеров. Было создано около 10 тысяч моделей структур из 40 атомов бора. На этой стадии работа заключалась не только в поиске возможных позиций атомов, но и в оценке энергии связи электронов. Именно от того, насколько прочно молекула удерживает свои электроны, будет зависеть стабильность той или иной структуры.
Следующим этапом стали экспериментальные работы, в ходе которых предстояло на практике проверить фактические энергии связи в кластерах бора. Для осуществления своих замыслов исследователи использовали фотоэлектронную спектроскопию.
С помощью лазера атомы бора переводили в состояние атомного пара. Затем через него пропускали струю гелия, которая охлаждала пар и переводила атомы бора в крошечные кластеры. После этого структуры из 40 атомов изолировали и повторно подвергали действию лазера. Вследствие этого из молекулы выбивался электрон, который попадал в длинную трубку, где измерялась его скорость, по которой определялся спектр энергии связи. Спектр энергии связи, по сути, является отпечатком пальцев для каждой структуры, то есть он абсолютно уникален.
В итоге всего лишь две модели оказались действительно стабильными в реальности. Это были полуплоская структура и сферическая клетка, так называемый бакибол, которая напоминает по форме фуллерен.
Новая молекула получила название "боросферен" (borospheren). Она не так сильно близка к реальной сфере, как её углеродный аналог. В отличие от фуллерена, состоящего из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников, боросферен включает 48 треугольников, а также четыре семисторонних и два шестисторонних кольца.
Исследователи считают, что говорить о свойствах и применении боросферена пока ещё рано. В качестве одной из потенциальных возможностей здесь химики считают хранение водорода внутри кластеров бора. Скорее всего, в связи с недостатком электронов, боросферен будет легко связываться с водородом.
В пресс-релизе университета профессор Ван сообщает, что на настоящий момент он просто наслаждается открытием и надеется, что оно сподвигнет другие группы специалистов развивать новое направление.
О своих успехах химики сообщают в статье, которая вышла в журнале Nature Chemistry.
Также по теме:
Карбин лишил графен звания самого прочного материала
Физики научились включать и выключать магнитное поле графена
Учёные смоделировали материал, способный превзойти графен
Учёные впервые различили химические связи внутри молекулы
Британские физики создали графен в кухонном блендере
Физики открыли первый естественный трёхмерный аналог графена
