В природе существует весьма необычная форма углерода, молекулярная структура которой состоит из 60 атомов и напоминает по форме футбольный мяч. Такой углеродный материал называется фуллереном илибакиболлами (Buckyballs, Buckminsterfullerene) и долгое время этот материал оставался единственным в своем роде. Но, благодаря усилиям исследователей из университета Брауна (Brown University), США, университетов Шаньси и Цинхуа, Китай, в одной из лабораторий был получен новый "шарообразный" материал, состоящий из атомов бора, который до последнего времени существовал только в теории.
Начиная с момента открытия фуллерена C60 в 1985 году, ученые размышляли на тему возможности формирования шарообразных полых молекулярных структур из атомов других веществ, с бором в качестве основного кандидата. Находясь рядом с углеродом в периодической системе химических элементов, атом бора имеет на один электрон меньше в его внешней оболочке. Это, в свою очередь, означает, что количество атомов в шарообразной молекуле бора будет отличаться от количества атомов в молекуле фуллерена.
Группа исследователей из университета Брауна, возглавляемая профессором Лай-Шенг Ван (Lai-Sheng Wang), уже давно экспериментирует с бором и им удалось сделать плоские дискообразные молекулы, состоящие из 36 атомов этого вещества. Эти молекулы могут быть "сшиты" между собой, формируя материал одноатомной толщины наподобие графена и который получил название борофена. Работая над этим материалом, ученые выяснили, что молекулы из 40 атомов бора имеют более высокую стабильность, нежели молекулы, содержащие другое количество атомов.
Используя вычислительную мощность одного из суперкомпьютеров, группа профессора Ванна построила модели более чем 10 тысяч вариантов молекул из 40 атомов бора, соединенных между собой. Помимо моделирования структуры такой молекулы, суперкомпьютер производил расчеты энергии всех электронных связей, удерживающих атомы молекулы. Полученный энергетический "отпечаток" является уникальным идентификатором, при помощи которого можно опознать саму молекулу.
После этого исследователи перешли к экспериментам. При помощи луча мощного лазера они создавали пар, состоящий из отдельных атомов бора. За этим, при помощи специализированных инструментов и струи жидкого гелия этот пар замораживался и разбивался на группы по 40 атомов, которые попадали под свет второго лазера. Лазерный свет выбивал электроны из атомов и это служило катализатором объединения всех атомов в одну молекулу. Созданный таким образом "суп" из молекул, содержащих по 40 атомов бора каждая, подавался в специальный длинный датчик, где по мере движения молекул "срисовывалась" энергетическая подпись электронных связей.
Этот эксперимент показал, что преимущественно формируется два вида молекул, энергетические спектры которых фигурировали в данных расчетов математических моделей. Одна из молекул, имеющая форму, близкую к плоской, не является для ученых объектом повышенного интереса. А наибольший интерес вызвала вторая молекула, имеющая почти сферическую форму, подобную форме фуллерена, которую ученые назвали боросференом.
Поверхность молекулы фуллерена C60 состоит из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. А поверхность боросферена сформирована из 48 треугольников, четырех колец с семью сторонами и двух колец с шестью сторонами. Такая необычная комбинация геометрических фигур приводит к формированию поверхности с несколькими выступами, далекой от идеальной шарообразной формы фуллерена.
Ученым только недавно удалось синтезировать и идентифицировать молекулы боросферена. Поэтому их свойства еще совершенно не изучены, а без этого пока еще рано думать о практическом применении этого материала. Тем не менее, результаты математического моделирования указывают на то, что молекулы боросферена будут хорошо сцепляться с молекулами водорода, благодаря чему этот новый материал может выступить в качестве хранилища водорода, который является топливом для экологически чистых автомобилей и самолетов будущего.
Первоисточник