Los investigadores de la Universidad de Rice calcularon que las láminas bidimensionales de boro puramente metálico podrían adoptar muchas formas, con grupos de vacantes donde los átomos caen de la matriz, dejando espacios hexagonales. (Crédito:Evgeni Penev / Rice University)
(Phys.org) - ¿Cuándo nada es realmente algo? Cuando conduce a una revelación sobre el boro, un elemento con mundos de potencial inexplorado.
El físico teórico Boris Yakobson y su equipo en la Universidad de Rice han adoptado un enfoque inusual para analizar las posibles configuraciones de hojas bidimensionales de boro, como se informó esta semana en la revista American Chemical Society Nano letras .
Tratarlo como queso suizo, en el que los agujeros son tan definitorios como el queso mismo, fue el concepto clave para descubrir cómo se verían las láminas de boro delgadas como un átomo. Esas sábanas, cuando se enrolla en un tubo hueco, o nanotubos, podría tener una clara ventaja sobre los nanotubos de carbono; los nanotubos de boro son siempre metálicos, mientras que los átomos de carbono en nanotubos pueden disponerse para formar nanotubos metálicos o semiconductores. Esta variación en la disposición atómica, conocida como quiralidad, es uno de los principales obstáculos para el procesamiento y desarrollo de nanotubos de carbono.
"Si sueño salvajemente, Me gusta pensar que los nanotubos de boro serían un gran cable cuántico transportador de energía, "Dijo Yakobson, Karl F. Hasselmann, profesor de Rice de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales y profesor de Química. “Tendría los beneficios del carbono, pero sin el desafío de seleccionar una simetría en particular ".
Una celosía de boro incluso en solo dos dimensiones, puede tener una variedad de configuraciones, Dijo Yakobson. Completamente embalado es una capa de átomos dispuestos en triángulos. Ese es un extremo. Pero saca un átomo y lo que era el centro de seis triángulos se convierte en un hexágono. Saque todos esos átomos posibles y la hoja se verá exactamente como el grafeno, el bidimensional, forma de carbono de un solo átomo de espesor que ha estado de moda en el mundo de la química y la ciencia de los materiales durante la última década.
Entre esos dos extremos hay miles de formas posibles de boro puro en las que los átomos faltantes dejan patrones de agujeros hexagonales.
Los investigadores de la Universidad de Rice, dirigidos por el físico teórico Boris Yakobson, utilizaron una técnica que generalmente se aplica a las aleaciones para explorar la rica variedad de boro bidimensional. Trataron las vacantes en boro como los agujeros en el queso suizo, como elemento esencial para su existencia. (Crédito:Evgeni Penev / Rice University)
"El carbono está bien definido, "Dijo Yakobson, cuyas teorías se centran en las interacciones en juego entre los átomos a medida que se unen y se rompen. "Cualquier desviación en la forma hexagonal del grafeno es lo que llamamos un defecto, que tiene connotaciones negativas.
"Pero encontramos que hay una gran variedad de boro bidimensional, ”Dijo. "Todo está purificado, aquí no hay nada que no sea boro, aunque hay vacantes, sitios vacíos. Lo sorprendente es que la naturaleza prefiere que sea así; No hexagonal, donde a cada tercera posición le falta un átomo, y no una celosía triangular. Lo óptimo está justo en el medio ".
En ese terreno medio más estable, los investigadores encontraron que faltaban del 10 al 15 por ciento de los átomos de boro en una red, dejando “concentraciones de vacantes” en una variedad de patrones.
Yakobson dijo que el uso de métodos computacionales tradicionales para evaluar miles de configuraciones de boro habría costado demasiado y habría tomado demasiado tiempo. Así que él y el científico investigador de Rice, Evgeni Penev, aplicaron la expansión de clústeres, un método de cálculo que se aplica más comúnmente a las aleaciones.
“Evgeni le dio un giro:trató los espacios vacíos como el segundo ingrediente de la aleación, de la misma manera no se puede tener queso suizo sin huecos "aleados" y queso real. En este cálculo, los agujeros son iguales, entidad física ".
Con el espacio como una pseudoaleación, los investigadores encontraron una gama de energías de formación que se podrían emplear para identificar láminas estables de boro con concentraciones de vacantes particulares. También descubrieron que las capas de boro sintetizado probablemente serían polimórficas:cada hoja podría contener un revoltijo de patrones y seguir considerándose boro puro.
"Polimórfico significa que todas estas posibilidades son prácticamente iguales, e igualmente probable que se forme, ”Dijo Yakobson.
“Esta es una pequeña parte de la física fundamental, —Dijo Penev. "El siguiente paso es considerar cosas más prácticas, como si se puede sintetizar y en qué condiciones ".
Yakobson, quien en 2007 teorizó por primera vez la posibilidad de una "bola bucky" de boro de 80 átomos ”Dijo que si bien es difícil trabajar con boro, esa dificultad lo hace más gratificante. "Por un lado, es muy difícil concebir una posibilidad o obtener pruebas experimentales. Por otra parte, el campo no está tan lleno como el grafeno ".
Los coautores del artículo son los investigadores postdoctorales de Rice Somnath Bhowmick y Arta Sadrzadeh.
