Исследователи из Университета Брауна, Университета Шаньси и Университета Цинхуа в Китае показали, что кластер из 40 атомов бора образует полую молекулярную клетку, похожую на углеродный бакибол. Это первое экспериментальное доказательство того, что структура борной клетки — ранее это было лишь вопросом предположений — действительно существует.
«Это первый случай, когда борная клетка наблюдалась экспериментально», — сказал Лай-Шэн Ван, профессор химии в Браун, возглавлявший команду, сделавшую открытие. "Как химику всегда интересно находить новые молекулы и структуры. Тот факт, что бор способен образовывать такую структуру, очень интересен."
Ван и его коллеги описывают молекулу, которую они назвали боросференом, в журнале Nature Chemistry.
Углеродные букиболлы состоят из 60 атомов углерода, расположенных в виде пятиугольников и шестиугольников, образующих сферу — как футбольный мяч. За их открытием в 1985 году вскоре последовали открытия других полых углеродных структур, включая углеродные нанотрубки.
Другой известный углеродный наноматериал — графен толщиной в один атом — появился вскоре после этого.
После бакиболов ученые задались вопросом, могут ли другие элементы образовывать эти странные полые структуры. Одним из кандидатов был бор, сосед углерода по периодической таблице. Но поскольку бор имеет на один электрон меньше, чем углерод, он не может образовывать ту же структуру из 60 атомов, что и в бакиболле.
Отсутствие электронов заставит кластер схлопнуться сам по себе. Если бы борная клетка существовала, она должна была бы иметь другое количество атомов.
Ван и его группа исследователей годами изучают химию бора.
В статье, опубликованной ранее в этом году, Ван и его коллеги показали, что кластеры из 36 атомов бора образуют диски толщиной в один атом, которые можно сшить вместе, чтобы сформировать аналог графена, получивший название борофен. Предварительная работа Вана показала, что в кластерах бора с 40 атомами есть что-то особенное.
Они казались аномально стабильными по сравнению с другими кластерами бора. Чтобы выяснить, как на самом деле выглядит этот кластер из 40 атомов, потребовалось сочетание экспериментальной работы и моделирования с использованием мощных суперкомпьютеров.
На компьютере коллеги Ванга смоделировали более 10000 возможных расположений 40 атомов бора, связанных друг с другом. Компьютерное моделирование оценивает не только форму структур, но также оценивает энергию связи электронов для каждой структуры — меру того, насколько прочно молекула удерживает свои электроны.
Спектр энергий связи служит уникальным отпечатком каждой потенциальной структуры.
Следующим шагом является проверка фактических энергий связи кластеров бора в лаборатории, чтобы увидеть, соответствуют ли они какой-либо из теоретических структур, созданных компьютером. Для этого Ван и его коллеги использовали метод, называемый фотоэлектронной спектроскопией.
Куски объемного бора обрабатываются лазером для создания пара из атомов бора. Затем струя гелия замораживает пар на крошечные кластеры атомов. Кластеры из 40 атомов были изолированы по весу, а затем поражены вторым лазером, который выбивает электрон из кластера. Выброшенный электрон летит по длинной трубе, которую Ван назвал своим «электронным ипподромом»."Скорость, с которой электроны летят по ипподрому, используется для определения спектра энергии связи электронов кластера — его структурного отпечатка.
Эксперименты показали, что кластеры из 40 атомов образуют две структуры с различными спектрами связывания. Эти спектры оказались точным совпадением со спектрами двух структур, созданными компьютерными моделями. Одна представляла собой полуплоскую молекулу, а другая — сферическую клетку в форме бакибола.
«Экспериментальное обнаружение связывающего спектра, соответствующего нашим моделям, имело первостепенное значение», — сказал Ван. "Эксперимент дает нам эти очень специфические сигнатуры, и эти сигнатуры подходят нашим моделям."
Молекула боросферы не такая сферическая, как ее углеродный кузен. В отличие от серии пяти- и шестичленных колец, образованных углеродом, боросферен состоит из 48 треугольников, четырех семигранных колец и двух шестичленных колец. Некоторые атомы немного выступают из других, делая поверхность боросферы несколько менее гладкой, чем у букибола.
Что касается возможных применений боросферы, пока рано говорить, — говорит Ван.
Он указывает, что одной из возможностей может быть хранение водорода. Из-за электронного дефицита бора боросферен, вероятно, будет хорошо связываться с водородом.
Крошечные борные клетки могут служить убежищем для молекул водорода.
Но пока Ван наслаждается открытием.
«Для нас просто быть первыми, кто это заметил, — это большое дело», — сказал Ван. "Конечно, если это окажется полезным, это будет здорово, но мы пока не знаем. Надеюсь, это первоначальное открытие будет стимулировать дальнейший интерес к кластерам бора и новым идеям по их синтезу в больших количествах."