«Мутация — это ключ к разгадке тайны эволюции. Путь развития от простейшего организма до господствующего биологического вида длится тысячелетиями. Но через каждую сотню тысяч лет в эволюции происходит резкий скачок вперед» (Чарльз Ксавье, Люди Икс, 2000 год).

Если отбросить все научно-фантастические элементы, присутствующие в комиксах и фильмах, то слова профессора Икс вполне правдивы. Развитие чего-либо протекает равномерно большую часть времени, но иногда возникают скачки, которые имеют огромное влияние на весь процесс. Это применимо не только к эволюции видов, но и к эволюции технологий, основным двигателем которой являются люди, их исследования и изобретения.

Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, которое по мнению его авторов, является самым настоящим эволюционным скачком в нанотехнологиях. Как ученым из Северо-Западного университета (США) удалось создать новую двумерную гетероструктуру, почему в качестве основы были выбраны графен и борофен, и какими свойствами может обладать подобная система? Об этом нам поведает доклад исследовательской группы.

Основа исследования

Термин «графен» мы слышали уже много раз — это двумерная модификация углерода, состоящая из слоя атомов углерода толщиной в 1 атом. А вот «борофен» встречается крайне редко. Этот термин обозначает двумерный кристалл, состоящий исключительно из атомов бора (В). Впервые возможность существования борофена была предсказана еще в середине 90-ых, но вот на практике получить данную структуру удалось лишь к 2015 году.

Атомная структура борофена состоит из треугольных и гексагональных элементов и является следствием взаимодействия между двухцентровыми и многоцентровыми внутриплоскостными связями, что весьма характерно для элементов с дефицитом электронов, к которым и относится бор.

*Под двухцентровыми и многоцентровыми связями подразумеваются химические связи — взаимодействия атомов, характеризующие устойчивость молекулы или кристалла как единой структуры. К примеру, двухцентровая двухэлектронная связь возникает, когда 2 атома делят между собой 2 электрона, а двухцентровая трехэлектронная — 2 атома и 3 электрона и т.д.

С физической точки зрения, борофен может быть более прочным и гибким, в сравнении с графеном. Также считается, что борофеновые структуры могут быть эффективным дополнением для батарей, поскольку борофен обладает высокой удельной емкостью и уникальными свойствами электронной проводимости и переноса ионов. Однако на данный момент это лишь теория.

Будучи трехвалентным элементом*, бор имеет по меньшей мере 10 аллотропов*. В двумерной форме подобный полиморфизм* также наблюдается.

Трехвалентный элемент* способен образовывать три ковалентные связи, валентность которых равна трем.

Аллотропия* — когда один химический элемент может быть представлен в виде двух и более простых веществ. Как пример, углерод — алмаз, графен, графит, углеродные нанотрубки и т.д.

Полиморфизм* — способность вещества существовать в разных кристаллических структурах (полиморфных модификациях). В случае простых веществ данный термин является синонимом аллотропии.

Учитывая столь широкий полиморфизм, возникает предположение, что борофен может стать отличным кандидатом для создания новых двумерных гетероструктур, так как различные конфигурации связей бора должны ослаблять требования к согласованию кристаллической решетки. К сожалению, ранее этот вопрос исследовался исключительно на теоретическом уровне из-за сложностей в синтезе.

Для обычных 2D материалов, полученных из объемных слоистых кристаллов, вертикальные гетероструктуры могут быть реализованы с помощью механической укладки. С другой стороны, двумерные латеральные гетероструктуры основаны на восходящем синтезе. Атомарно точные латеральные гетероструктуры обладают большим потенциалом в решении проблем с контролем функциональных возможностей гетероперехода, однако из-за ковалентной связи несовершенное согласование решетки обычно приводит к широким и неупорядоченным интерфейсам. Следовательно, потенциал есть, но есть и проблемы в его реализации.

В данном труде исследователям удалось интегрировать борофен и графен в одну двумерную гетероструктуру.