Российские химики помогли синтезировать аналог графена из бора

Международной группе ученых впервые удалось получить структуру, которая может стать основой борофена, перспективного двумерного материала, способного затмить даже графен. Результаты работы Артема Оганова, Сянфэна Чжоу (Xiang-Feng Zhou) и их коллег из США, России и Китая публикует журнал Science.
Расчеты показывают, что бор может образовывать ряд сложных высокомолекулярных структур, подобных тем, что известны для углерода, включая сферические фуллерены и плоский графен. Более того, ожидается, что двумерная матрица «борофена», сложенная всего одним слоем атомов, будет обладать целым спектром уникальных свойств, недоступных и графену. Однако если фуллерен из 40 атомов бора не так давно был синтезирован, то борофен до сих пор остается предметом активных поисков: простая гексагональная кристаллическая решетка, как у графена, в случае бора будет нестабильна.
В 2007 г. йельский физик Сохраб Измаил-Бейги (Sohrab Ismail-Beigi) теоретически показал, что стабилизировать двумерную гексагональную структуру из атомов бора можно, оставив на месте некоторых узлов в ней пустые «дырки». В 2014 г. Лайшен Ван (Lai-Sheng Wang) и его коллеги попробовали получить такую структуру, испаряя бор и осаждая его в струе гелия. Им удалось получить стабильные кластеры, состоящие из 36 атомов и во многом напоминающие предсказания Измаил–Бейги. Эти кластеры оказались не слишком плоскими, однако ученые предположили, что если удалить из них еще некоторые атомы, то их можно будет объединить в достаточно плоский лист.
С другой стороны, моделирование, проведенное Артемом Огановым из МФТИ и его коллегой по Университету штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук Сянфэном Чжоу, показало, что плоская структура, которую попытался реализовать Лайшен Ван, все равно окажется нестабильной. Стремясь к более устойчивой форме, она начнет присоединять дополнительные атомы и перестанет быть плоской – а значит, не сможет стать основой двумерного борофена. Однако существуют и другие варианты базовой структуры двумерного борофена. Одну из них Оганов и Чжоу теоретически описали в той же работе – а недавно их коллегам из США удалось и получить ее в лаборатории.
Синтез велся в условиях ультраглубокого вакуума, при высокой температуре, используя метод электронно-лучевого испарения и осаждая бор на инертную подложку из серебра. Полученный материал исследовали с помощью сканирующей туннельной микроскопии и дифракции медленных электронов, доказав его сходство со структурой борофена, предсказанной Чжоу и Огановым – в том числе и его не совсем плоскую, «гофрированную» поверхность. «Иногда экспериментаторы синтезируют материал и просят нас определить его структуру. Порой получается наоборот: мы делаем предсказания первыми, и эксперимент подтверждает наши открытия», – приводит слова Артема Оганова пресс-релиз МФТИ.
Подтвердились и другие теоретические расчеты свойств борофена – в частности, анизотропия, металлические свойства и электропроводность. Авторы указывают и на предсказанную большую прочность материала на растяжение. Рассказывая о работе в редакторской заметке в Science, Герман Сачдев (Hermann Sachdev) замечает, что такие свойства не может предложить ни одно другое известное вещество из способных к формированию двумерных структур. «С учетом всего сказанного, – резюмирует Сачдев, – борофен может сыграть ключевую роль в будущих исследованиях двумерных материалов».

Роман Фишман