Dr hab. Nevill Gonzalez Szwacki z Wydziału Fizyki UW opracował przełomowy model wyjaśniający różnorodność nanostruktur boru, od pustych w środku klastrów molekularnych po ultracienkie warstwy 2D. Odkrycie to pozwala nie tylko zrozumieć istniejące nanostruktury boru, lecz także przewidywać i projektować nowe materiały o kontrolowanych właściwościach. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie „2D Materials”.

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.

Dr hab. Nevill Gonzalez Szwacki z Wydziału Fizyki UW opracował przełomowy model wyjaśniający różnorodność nanostruktur boru, od pustych w środku klastrów molekularnych po ultracienkie warstwy 2D. Jego badania, opublikowane w „2D Materials”, pokazują, że klucz do stabilności i właściwości elektronowych tych struktur tkwi w liczbie koordynacyjnej, czyli liczbie najbliższych sąsiadów danego atomu. Odkrycie to pozwala nie tylko zrozumieć istniejące nanostruktury boru, lecz także przewidywać i projektować nowe materiały o pożądanych właściwościach.

Pomost między światami

Przedstawiona w artykule analiza obejmuje ponad tuzin znanych nanostruktur boru, w tym eksperymentalnie zaobserwowane fulereny B₄₀ i B₈₀. 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. Wyniki ujawniają wyraźne powiązania między strukturami skończonymi a rozciągłymi. Dla przykładu, klaster B₄₀ odpowiada pojedynczej warstwie borofenu χ₃, natomiast struktury B₆₅, B₈₀ i B₉₂ są powiązane odpowiednio z borofenami β₁₂, α i bt. 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 – mówi dr Nevill Gonzalez Szwacki i wyjaśnia: – Przykładowo 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.

Publikacja naukowca z UW pokazuje, że bor pozostaje wyjątkowo elastyczną platformą do tworzenia regulowanych materiałów w nanoskali, tworząc pomost między światem molekularnym a dwuwymiarowym.