美中科學家成功驗證硼墨烯可行性

    鋰電世界 美國布朗大學與中國清華大學的科學家合作，發現元素周期表中5號化學元素硼也可能形成類似石墨烯的單層平面原子結構，并將其稱之為硼墨烯。該論文發表在近期出版的《自然·通信》雜志。

    石墨烯被譽為神奇材料，其碳原子排列成六邊形，呈蜂窩環狀結構，因其強度比鋼還要大，導電性能比銅好，引起人們高度重視，認為其能夠徹底變革納米技術和電子技術。

    隨著石墨烯的發現，科學家開始探索在周期表上與碳相鄰的硼是否也能形成單原子層平面結構。由于硼比碳少一個電子，因此不可能像碳一樣形成蜂窩狀的類石墨烯。理論上，硼若形成單原子層平面結構，其原子須排列成為三角形，中間并會形成六邊形的空穴。不過這個理論推測尚未有人證實。

    布朗大學王來生教授領導的研究小組利用光電子能譜技術研究硼原子團簇的性能。研究人員首先利用激光來轟擊硼靶，以產生硼原子蒸氣，然后利用氦氣冷卻硼原子蒸氣，形成了微小的原子團簇。隨后再利用另外一束激光從團簇上打出光電子，讓其沿著被稱為“電子賽道”的長管飛行。電子沿著“電子賽道”飛行的速度，可用于確定團簇的電子結合能量頻譜，又叫光電子能譜，而光電子能譜可作為團簇結構獨一無二的電子結構特征。

    研究人員發現，36個硼原子可形成對稱性相當高的六邊形單原子層平面結構，其正中間有一個完美的六邊形空穴。這表明，先前關于硼單原子層平面結構的理論計算是正確的。實驗表明，硼36團簇十分特別，相對于其他硼團簇，其電子結合能非常低。團簇的光電子能譜的形狀表明，它具有一個非常對稱的結構。

    清華大學化學系李雋教授曾提出一種新穎的理論方法，可確定團簇的結構和穩定性。為此,布朗大學和清華大學合作，利用超級計算機搜索硼36的結構并計算其電子結合能譜，發現計算得到的具有六邊形缺孔的結構最穩定，其理論模擬的光譜與實驗發現非常吻合。

    硼36結構的制備成功證實了六邊形空穴在穩定二維硼墨烯的重要作用，進一步說明這種硼墨烯可能在適當的條件下被制備出來。由于硼—硼鍵非常強，類似于碳—碳鍵，所以硼墨烯可能會有非常美好的應用前景。硼資源豐富，且原子量低、質量輕，經濟性好，而其電學性能可能更好。由于硼的特殊電子結構，科學家預計硼墨烯會是金屬，因此硼墨烯可能會是一個很好的導體。科學家認為，這一發現有可能開發出一種全新的納米材料。

    石墨烯又多了一個兄弟和競爭者。硼礦物的“華麗變身”，顯示出當今化學家的大能：根據已有材料的表現，在元素周期表的啟發下，一番計算后，就能勾勒出未知材料的草圖。接下來，人們巧施計策，將硼原子拉出傳統秩序，排列成前所未有的陣列。當然，用激光操縱硼原子仍然太麻煩，但它驗證了猜想，為發展新材料推開了一扇門。另外讓我們高興的是：在科學前沿，中國和華裔學者的名字是越來越多了。