Les chercheurs de l'Université Rice ont calculé que les feuilles bidimensionnelles de bore purement métallique pouvaient prendre de nombreuses formes, avec des amas de lacunes où les atomes sortent de la matrice, laissant des espaces hexagonaux. (Crédit :Evgeni Penev/Université Rice)
(Phys.org) -- Quand rien n'est-il vraiment quelque chose ? Quand cela conduit à une révélation sur le bore, un élément avec des mondes au potentiel inexploré.
Le physicien théoricien Boris Yakobson et son équipe de l'Université Rice ont adopté une approche inhabituelle pour analyser les configurations possibles de feuilles de bore bidimensionnelles, comme rapporté cette semaine dans le journal de l'American Chemical Society Lettres nano .
Le traiter comme du fromage suisse - dans lequel les trous sont aussi définis que le fromage lui-même - était le concept clé pour déterminer à quoi pourraient ressembler des feuilles de bore minces. Ces feuilles, lorsqu'il est enroulé dans un tube creux, ou nanotubes, pourrait avoir un net avantage sur les nanotubes de carbone; les nanotubes de bore sont toujours métalliques, tandis que les atomes de carbone dans un nanotube peuvent être agencés pour former des nanotubes métalliques ou semi-conducteurs. Cette variation de l'arrangement atomique - connue sous le nom de chiralité - est l'un des principaux obstacles au traitement et au développement des nanotubes de carbone.
« Si je rêve follement, J'aime penser que les nanotubes de bore feraient un excellent fil quantique de transport d'énergie, " a déclaré Yakobson, Karl F. Hasselmann de Rice, professeur de génie mécanique et de science des matériaux et professeur de chimie. « Cela aurait les avantages du carbone, mais sans le défi de sélectionner une symétrie particulière.
Un réseau de bore, même en seulement deux dimensions, peut avoir une gamme de configurations, dit Yakobson. Entièrement emballé, c'est une couche d'atomes disposés en triangles. C'est un extrême. Mais enlevez un atome, et ce qui était le centre de six triangles devient un hexagone. Retirez tous ces atomes possibles et la feuille ressemble exactement au graphène, le bidimensionnel, forme de carbone à un seul atome qui a fait fureur dans le monde de la chimie et de la science des matériaux au cours de la dernière décennie.
Entre ces deux extrêmes se trouvent des milliers de formes possibles de bore pur dans lesquelles les atomes manquants laissent des motifs de trous hexagonaux.
Des chercheurs de l'Université Rice dirigés par le physicien théoricien Boris Yakobson ont utilisé une technique généralement appliquée aux alliages pour explorer la riche variété de bore bidimensionnel. Ils traitaient les lacunes en bore comme les trous dans le fromage suisse, comme un élément essentiel à son existence. (Crédit :Evgeni Penev/Université Rice)
« Le carbone est bien défini, " a déclaré Yakobson, dont les théories se concentrent sur les interactions en jeu entre les atomes lorsqu'ils se lient et se cassent. « Tout écart dans la forme hexagonale du graphène est ce que nous appelons un défaut, qui a des connotations négatives.
"Mais nous trouvons qu'il existe une riche variété de bore bidimensionnel, " a-t-il dit. "Tout est purifié - il n'y a pas de non-bore ici, même s'il y a des postes vacants, emplacements vides. Ce qui est étonnant, c'est que la nature préfère qu'il en soit ainsi; Non hexagonal, où chaque troisième position manque un atome, et non un réseau triangulaire. L'optimum est juste au milieu.
Dans ce juste milieu le plus stable, les chercheurs ont découvert que 10 à 15 pour cent des atomes de bore dans un réseau manquaient, laissant les « concentrations de postes vacants » dans une variété de modèles.
Yakobson a déclaré que l'utilisation de méthodes de calcul traditionnelles pour évaluer des milliers de configurations de bore aurait coûté trop cher et aurait pris trop de temps. Donc, lui et le chercheur de Rice Evgeni Penev ont appliqué l'expansion des clusters, une méthode de calcul plus couramment appliquée aux alliages.
« Evgeni a donné une tournure :il a traité les espaces vides comme le deuxième ingrédient de l'alliage, de la même manière, vous ne pouvez pas avoir de fromage suisse sans des vides « alliés » et du vrai fromage. Dans ce calcul, les trous sont égaux, entité physique.
Avec l'espace comme pseudo-alliage, les chercheurs ont découvert une gamme d'énergies de formation que l'on pourrait utiliser pour identifier des feuilles stables de bore avec des concentrations de lacunes particulières. Ils ont également découvert que les couches de bore synthétisées seraient probablement polymorphes :chaque feuille pourrait contenir un fouillis de motifs et être toujours considérée comme du bore pur.
« Polymorphe signifie que toutes ces possibilités sont à peu près égales, et également susceptibles de se former, », a déclaré Yakobson.
« Ceci est une petite partie de la physique fondamentale, », a déclaré Penev. « La prochaine étape consiste à envisager des choses plus pratiques, comme s'il peut être synthétisé et dans quelles conditions.
Yakobson, qui en 2007 a d'abord théorisé la possibilité d'un "buckyball" de bore à 80 atomes, ” a déclaré que bien que le bore soit difficile à travailler, cette difficulté le rend plus gratifiant. « D'un côté, il est très difficile de concevoir une possibilité ou d'obtenir des preuves expérimentales. D'autre part, le champ n'est pas aussi encombré que le graphène.
Les co-auteurs de l'article sont les chercheurs postdoctoraux de Rice Somnath Bhowmick et Arta Sadrzadeh.
