Pesquisadores da Brown University demonstraram experimentalmente que um competidor à base de boro para o grafeno é uma possibilidade muito real.

O grafeno foi considerado um material maravilhoso. Feito de uma única camada de átomos de carbono em um arranjo de favo de mel, o grafeno é mais forte libra por libra do que o aço e conduz eletricidade melhor do que o cobre. Desde a descoberta do grafeno, os cientistas se perguntam se o boro, vizinho do carbono na tabela periódica, também podem ser organizados em folhas de átomo único. O trabalho teórico sugeriu que era possível, mas os átomos precisariam estar em um arranjo muito particular.

O boro tem um elétron a menos do que o carbono e, como resultado, não pode formar a estrutura do favo de mel que constitui o grafeno. Para que o boro forme uma camada de átomo único, os teóricos sugeriram que os átomos devem ser arranjados em uma rede triangular com vacâncias hexagonais - buracos - na rede.

"Essa era a previsão, "disse Lai-Sheng Wang, professor de química na Brown, "mas ninguém fez nada para mostrar que é o caso."

Wang e seu grupo de pesquisa, que estudou a química do boro por muitos anos, já produziram a primeira evidência experimental de que tal estrutura é possível. Em um artigo publicado em 20 de janeiro em Nature Communications , Wang e sua equipe mostraram que um aglomerado feito de 36 átomos de boro (B36) forma um simétrico, disco de um átomo de espessura com um orifício hexagonal perfeito no meio.

"É lindo, - disse Wang. - Tem simetria hexagonal exata com o orifício hexagonal que procurávamos. O buraco tem um significado real aqui. Isso sugere que este cálculo teórico sobre uma estrutura plana de boro pode estar certo. "

Pode ser possível, Wang disse, usar a base B36 para formar uma folha plana de boro estendida. Em outras palavras, O B36 pode muito bem ser o embrião de um novo nanomaterial que Wang e sua equipe apelidaram de "borofeno".

“Ainda temos apenas uma unidade, "Disse Wang." Nós não fizemos borofeno ainda, mas este trabalho sugere que esta estrutura é mais do que apenas um cálculo. "

O trabalho exigiu uma combinação de experimentos de laboratório e modelagem computacional. No laboratório, Wang e seu aluno, Wei-Li Li, sondar as propriedades dos aglomerados de boro usando uma técnica chamada espectroscopia de fotoelétrons. Eles começam eletrocutando pedaços de boro a granel com um laser para criar vapor de átomos de boro. Um jato de hélio congela o vapor em minúsculos aglomerados de átomos. Esses aglomerados são então eletrocutados com um segundo laser, que tira um elétron do aglomerado e o envia voando por um longo tubo que Wang chama de "pista de corrida de elétrons". A velocidade com que o elétron voa pela pista é usada para determinar o espectro de energia de ligação de elétrons do aglomerado - uma leitura de quão firmemente o aglomerado mantém seus elétrons. Esse espectro serve como impressão digital da estrutura do cluster.

Os experimentos de Wang mostraram que o cluster B36 era algo especial. Ele tinha uma energia de ligação de elétrons extremamente baixa em comparação com outros aglomerados de boro. A forma do espectro de ligação do cluster também sugeriu que era uma estrutura simétrica.

Para descobrir exatamente como essa estrutura pode ser, Wang voltou-se para Zachary Piazza, um de seus alunos de pós-graduação com especialização em química computacional. Piazza começou a modelar estruturas potenciais para B36 em um supercomputador, investigando mais de 3, 000 arranjos possíveis desses 36 átomos. Entre os arranjos que seriam estáveis ​​estava o disco planar com o orifício hexagonal.

"Assim que vi aquele buraco hexagonal, "Wang disse, "Eu disse a Zach, 'Temos que investigar isso.' "

Para garantir que eles realmente encontraram o arranjo mais estável dos 36 átomos de boro, eles pediram a ajuda de Jun Li, que é professor de química na Tsinghua University em Pequim e ex-cientista pesquisador sênior do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) em Richland, Wash. Li, colaborador de longa data de Wang, desenvolveu um novo método para encontrar estruturas estáveis ​​de clusters, que seria adequado para o trabalho em questão. Piazza passou o verão de 2013 na PNNL trabalhando com Li e seus alunos no projeto B36. Eles usaram o supercomputador do PNNL para examinar mais arranjos possíveis dos 36 átomos de boro e calcular seus espectros de ligação de elétrons. Eles descobriram que o disco planar com um orifício hexagonal combinava muito de perto com o espectro medido nos experimentos de laboratório, indicando que a estrutura que Piazza encontrada inicialmente no computador era de fato a estrutura de B36.

Essa estrutura também se encaixa nos requisitos teóricos para fazer borofeno, o que é uma perspectiva extremamente interessante, Disse Wang. A ligação boro-boro é muito forte, quase tão forte quanto a ligação carbono-carbono. Portanto, o borofeno deve ser muito forte. Suas propriedades elétricas podem ser ainda mais interessantes. Borofeno está previsto para ser totalmente metálico, enquanto o grafeno é um semimetal. Isso significa que o borofeno pode acabar sendo um condutor melhor do que o grafeno.

"Isso é, "Wang adverte, "se alguém puder fazer isso."

À luz deste trabalho, essa perspectiva parece muito mais provável.