Ученые из России, США и Китая получили аналог графена из атомов бора

Источник фото: pixabay.com

Ученые из России, США и Китая синтезировали аналог графена из атомов бора — борофен.

Двумерный лист толщиной в один атом, подобный графену по структуре, обладает высокой прочностью, проводимостью и другими уникальными свойствами, которые могут пригодиться при создании наноэлектронных устройств и фотоэлементов.

По словам специалистов, ни одна из объемных форм бора не обладает подобными металлическими свойствами. Ученые уверены, что нашли лидера по прочности на растяжение среди двумерных материалов. Самый знаменитый двумерный материал нашего века — графен, состоящий из атомов углерода. В отличие от других углеродных материалов графен хорошо проводит электричество, причём электроны в нём должны двигаться со скоростями, близкими к скорости света.

Бор и углерод — соседи в таблице Менделеева, их химические свойства сходны, но метод получения графена, — «отщепление» углеродных листков от поверхности графита — не работает для бора, поскольку структура ни одной из известных аллотропных модификаций бора не содержит явно выраженных слоёв.

Интерес к созданию двумерного бора, названного по аналогии с графеном борофеном, подстегнули около года назад работы двух независимых друг от друга научных групп. В первой работе учёные из Университета Брауна (США) и Университета Цинхуа (Китай) синтезировали молекулу, напоминающую фрагмент такого вещества. Однако группа под руководством кристаллографа Артёма Оганова (профессора Сколковского Института науки и технологий и Университета Нью-Йорка, а также заведующего лабораторией Московского физико-технического института) с помощью методов компьютерного моделирования продемонстрировала, что подобная структура не может быть плоской и стабильной, предложив альтернативное строение листа борофена.

По словам Оганова, результаты расчётов заставили сомневаться в том, что синтез этого материала вообще возможен, поскольку атомы бора «предпочитали» собираться в наночастицы, «разгладить» которые по его мнению было бы непросто. Кроме того, бор образует стабильные соединения почти со всеми известными элементами.

Однако учёным из Аргоннской национальной лаборатории и Северо-Западного университета (США) удалось найти элегантное решение: борофен выращивали на подложке из серебра. Эти элементы слабо взаимодействуют друг с другом, благодаря чему и получилось синтезировать новый материал. Атомы бора напылялись с помощью техники электронно-лучевого испарения, это позволило избежать использования высокотоксичных газов.

Получившийся материал затем исследовался с помощью методов электронной и сканирующей туннельной микроскопии. Сравнение экспериментальных результатов с теоретическим предсказанием структуры борофена, проведённым сотрудником Оганова, профессором Сянфеном Чжоу (Xiang-Feng Zhou), подтвердило, что был получен именно этот материал.

«Иногда экспериментаторы синтезируют материал и просят нас определить его структуру. Порой получается наоборот: мы делаем предсказания первыми, и эксперимент подтверждает наши открытия. Теория и эксперимент движутся рука об руку, и от этого сотрудничества выигрывает любое исследование», — цитируют «Вести.ру» профессора Сколковского Института науки и технологий Артёма Оганова.

Борофен получился не плоским, а, как и предсказывали Чжоу и Оганов, гофрированным. Если другие двумерные материалы выглядят как плоскости, борофен напоминает лист гофрированного картона, изгибающийся вверх и вниз в зависимости от связей между атомами бора. Такая структура делает борофен анизотропным, то есть механические и электронные свойства этого материала зависят от выбранного направления, по которому он исследуется. Борофен, как и графен, проводит электрический ток, поэтому это первый известный учёным двумерный анизотропный металл.

На этом необычные свойства этого материала не заканчиваются. Согласно теоретическим предсказаниям, борофен обладает наибольшей прочностью на разрыв по сравнению с любым другим известным материалом. «По всей видимости мы нашли лидера по прочности среди двумерных материалов», — заявил Гайзенгер.

Безусловно, борофен нуждается в дальнейшем изучении, но авторы исследования уверены в том, что новый материал найдет свое применение в наноэлектронике.

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.