Investigadores de la Universidad de Brown han demostrado experimentalmente que un competidor del grafeno basado en boro es una posibilidad muy real.

El grafeno ha sido anunciado como un material maravilloso. Hecho de una sola capa de átomos de carbono en un arreglo de panal, el grafeno es más fuerte libra por libra que el acero y conduce mejor la electricidad que el cobre. Desde el descubrimiento del grafeno, los científicos se han preguntado si el boro, vecino del carbono en la tabla periódica, también se pueden organizar en láminas de un solo átomo. El trabajo teórico sugirió que era posible, pero los átomos tendrían que estar en una disposición muy particular.

El boro tiene un electrón menos que el carbono y, como resultado, no puede formar la red en forma de panal que forma el grafeno. Para que el boro forme una capa de un solo átomo, los teóricos sugirieron que los átomos deben estar dispuestos en un retículo triangular con huecos hexagonales en el retículo.

"Esa fue la predicción, "dijo Lai-Sheng Wang, profesor de química en Brown, "pero nadie había hecho nada para demostrar que ese es el caso".

Wang y su grupo de investigación, que ha estudiado la química del boro durante muchos años, ahora han producido la primera evidencia experimental de que tal estructura es posible. En un artículo publicado el 20 de enero en Comunicaciones de la naturaleza , Wang y su equipo demostraron que un grupo formado por 36 átomos de boro (B36) forma una simétrica, Disco de un átomo de espesor con un orificio hexagonal perfecto en el medio.

"Es hermoso, "Dijo Wang." Tiene una simetría hexagonal exacta con el agujero hexagonal que estábamos buscando. El agujero tiene un significado real aquí. Sugiere que este cálculo teórico sobre una estructura plana de boro podría ser correcto ".

Puede ser posible, Wang dijo:utilizar la base B36 para formar una lámina de boro plana extendida. En otras palabras, B36 bien puede ser el embrión de un nuevo nanomaterial que Wang y su equipo han denominado "borofeno".

"Todavía solo tenemos una unidad, ", Dijo Wang." Aún no hemos hecho borofeno, pero este trabajo sugiere que esta estructura es más que un simple cálculo ".

El trabajo requirió una combinación de experimentos de laboratorio y modelado computacional. En el laboratorio, Wang y su alumno, Wei-Li Li, sondear las propiedades de los grupos de boro utilizando una técnica llamada espectroscopia de fotoelectrones. Empiezan por eliminar trozos de boro a granel con un láser para crear vapor de átomos de boro. Luego, un chorro de helio congela el vapor en pequeños grupos de átomos. Luego, esos grupos se eliminan con un segundo láser, que saca un electrón del cúmulo y lo envía volando por un tubo largo que Wang llama su "pista de carreras de electrones". La velocidad a la que el electrón vuela por la pista de carreras se utiliza para determinar el espectro de energía de enlace de electrones del cúmulo, una lectura de la fuerza con la que el cúmulo retiene sus electrones. Ese espectro sirve como huella digital de la estructura del cúmulo.

Los experimentos de Wang mostraron que el cúmulo B36 era algo especial. Tenía una energía de enlace de electrones extremadamente baja en comparación con otros grupos de boro. La forma del espectro de unión del cúmulo también sugirió que era una estructura simétrica.

Para saber exactamente cómo se vería esa estructura, Wang se volvió hacia Zachary Piazza, uno de sus estudiantes de posgrado especializado en química computacional. Piazza comenzó a modelar estructuras potenciales para B36 en una supercomputadora, investigando más de 3, 000 posibles arreglos de esos 36 átomos. Entre los arreglos que serían estables estaba el disco plano con el agujero hexagonal.

"Tan pronto como vi ese agujero hexagonal, "Wang dijo, "Le dije a Zach, 'Tenemos que investigar eso' ".

Para asegurarse de que realmente han encontrado la disposición más estable de los 36 átomos de boro, solicitaron la ayuda de Jun Li, quien es profesor de química en la Universidad de Tsinghua en Beijing y ex científico investigador senior en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) en Richland, Wash. Li, colaborador de Wang desde hace mucho tiempo, ha desarrollado un nuevo método para encontrar estructuras estables de clústeres, que sería adecuado para el trabajo en cuestión. Piazza pasó el verano de 2013 en PNNL trabajando con Li y sus estudiantes en el proyecto B36. Utilizaron la supercomputadora en PNNL para examinar más arreglos posibles de los 36 átomos de boro y calcular sus espectros de unión de electrones. Descubrieron que el disco plano con un agujero hexagonal coincidía muy de cerca con el espectro medido en los experimentos de laboratorio. lo que indica que la estructura que Piazza encontró inicialmente en la computadora era de hecho la estructura de B36.

Esa estructura también se ajusta a los requisitos teóricos para hacer borofeno, que es una perspectiva extremadamente interesante, Dijo Wang. El enlace boro-boro es muy fuerte, casi tan fuerte como el enlace carbono-carbono. Así que el borofeno debería ser muy fuerte. Sus propiedades eléctricas pueden ser aún más interesantes. Se predice que el borofeno es completamente metálico, mientras que el grafeno es un semi-metal. Eso significa que el borofeno podría terminar siendo un mejor conductor que el grafeno.

"Es decir, "Wang advierte, "si alguien puede hacerlo".

A la luz de este trabajo, esa perspectiva parece mucho más probable.