Borophene — новая глава в разработке 2D-материалов

Впервые синтезированный в 2015 году борофен, анатомически тонкий кристаллический двумерный лист бора, уже привлек внимание ученых во всем мире. Описывается как «новый чудо-материал» благодаря своей уникальной анизотропной гибкости и металличности он может революционизировать аккумуляторы, датчики и каталитическую химию. В этой статье кратко описаны синтез, свойства и потенциальное применение борофена.

Синтез и свойства

Пока графен принимает единую форму, борофен представляет собой полиморф, который может иметь множество конфигураций решетки. Теоретически может существовать более 1000 форм борофена, каждая со своими характеристиками. Борофен был впервые синтезирован международной группой ученых в условиях сверхвысокого вакуума с использованием твердого источника атомов бора. Подложка из атомарно очищенного серебра использовалась для обеспечения четко определенной и инертной поверхности для роста борофена. На месте электронная характеристика подтвердила теоретические предсказания о том, что полиморф борофена, который они успешно изготовили, был металлическим и образовывал плоские структуры с анизотропной гофрировкой. Его волнистая структура позже была приписана очень малой жесткости борофена на изгиб (то есть моменту, необходимому для создания единичного вращения) и его реакционной способности по отношению к серебру. Авторы продемонстрировали, что как электронные, так и механические свойства полученного борофена были сильно анизотропными.

С момента его первоначального открытия были проведены многочисленные исследования сверхпроводимости, механических, электронных и оптические свойства различных полиморфов борофена. В настоящее время борофен изготавливается с использованием ряда различных материалов, включая золото, медь и алюминий. Значительный прорыв произошел в 2019 году, когда впервые был синтезирован отдельно стоящий борофен с использованием масштабируемого процесса.

Борофен прочный, гибкий и прозрачный . Он является хорошим проводником как тепла, так и электричества, а также является сверхпроводником. Согласно некоторым вычислительным предсказаниям, борофен может переходить в сверхпроводимость при более высоких температурах, чем графен. Расчеты из первых принципов показали, что температура перехода в сверхпроводящее состояние может достигать 24,7 К для некоторых полиморфов борофена, что намного выше расчетно предсказанных 8,1 К и экспериментально наблюдаемых 7,4 К для графена. Анизотропия его механических и электрических свойств делает его настраиваемым, что является одной из причин, по которой ученые и инженеры воодушевлены его потенциальными применениями. Понимание того, как охарактеризовать и контролировать атомную структуру борофена, будет иметь решающее значение для включения борофена с желаемыми свойствами в продукты.

Хотя многие исследователи в восторге от уникальных свойств борофена, существуют серьезные препятствия для коммерциализации этого материала. Во-первых, борофен обладает относительно высокой химической активностью, и поэтому с ним трудно работать при температуре окружающей среды. Его по-прежнему относительно сложно производить даже в небольших количествах. Как и многие двумерные материалы, борофен склонен к окислению. Обычно это считается невыгодным, однако окисление можно использовать для повышения стабильности структуры и изменения ее свойств.

Применение борофена

Уже появляется широкий спектр приложений, использующих уникальные свойства борофена, например:

Гибкая электроника: 2D-материалы могут позволить разработать уменьшенные гибридные электронные устройства, предназначенные для использования их превосходных качеств. Исследователи полагают, что необычная волнистая структура борофена придаст ему высокую растяжимость, если борофен перенести на эластомерную подложку. Другими словами, возможно изготовление устройств с использованием борофена, которые можно деформировать, а затем возвращать к своей первоначальной форме. Поскольку борофен обладает электропроводностью, он может оказаться очень подходящим для гибких электронных устройств. Одна из ключевых проблем, с которой сталкиваются исследователи, заключается в том, что, как и многие 2D-материалы, борофен очень чувствителен к внешней среде и на сегодняшний день не показал долговременной стабильности и надежности при использовании в электронных устройствах. В настоящее время исследователи разрабатывают новые методы визуализации, позволяющие фиксировать движение отдельных атомов в двумерных материалах, чтобы понять возможные режимы отказа электронных устройств.

Электроды-батареи: Литий-ионные аккумуляторы стали повсеместно использоваться в электронных устройствах благодаря их высокой плотности мощности и длительному сроку службы. В последние годы натрий-ионные батареи также получили все большее распространение из-за их низкой стоимости эксплуатации и высокой безопасности эксплуатации. Уникальная морфология 2D-материалов обеспечивает быструю диффузию ионов и делает их подходящими кандидатами для использования в качестве электродов. Борофен является многообещающим электродным материалом для литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов из-за его высокой емкости, что приводит к чрезвычайно высокой плотности мощности и электрохимическим характеристикам. Недавнее исследование показало, что емкость борофена является самой высокой из всех исследованных на сегодняшний день 2D-материалов.

Катализ: 2D-материалы имеют большие перспективы для использования в качестве катализаторов благодаря их уникальным свойствам, в том числе большой площади поверхности и новым электронным состояниям. Борофен можно использовать в качестве катализатора при выделении водорода, восстановлении кислорода и электрохимическом восстановлении углекислого газа. В частности, электрохимическое восстановление двуокиси углерода имеет огромный потенциал для содействия усилиям по борьбе с изменением климата. Однако прогресс был медленным из-за отсутствия стабильных и эффективных катализаторов.

Хранение водорода: Водород имеет самую высокую энергию на массу любого топлива. В последние годы исследования в области систем хранения водорода становятся все более распространенными, что обусловлено спросом на хранение энергии и развитием технологий использования водорода и топливных элементов. Было показано, что борофен обладает впечатляющей способностью накапливать водород, отчасти из-за малой массы атомов бора. Энергия связи молекулярного водорода с листом бора сильнее, чем с графеном.

Датчики газа: Газоадсорбционные свойства борофена делают его пригодным для использования в качестве датчиков различных газов, включая этанол, монооксид углерода, фосген и формальдегид. 2D-материалы продемонстрировали значительный потенциал для разработки датчиков газа благодаря их уникальной электронной структуре и большому отношению площади поверхности к объему.

Выводы

Разработка 2D-материалов — одно из самых захватывающих направлений в области исследования материалов на сегодняшний день. Синтез борофена с компьютерным управлением, произошедший чуть более чем через десять лет после синтеза графена, можно рассматривать как план разработки новых двумерных материалов. При разработке борофена остаются серьезные технические проблемы, например, расширение производственных процессов, однако его беспрецедентные и уникальные качества, вероятно, откроют новые горизонты в гибкой электронике, батареях и сенсорных технологиях.