Borofene e borofano

Rinaldo Cervellati

Il borofene è un monostrato atomico cristallino di boro, un allotropo bidimensionale del boro, noto anche come foglio di boro. Predetto teoricamente per la prima volta a metà degli anni ’90 [1], diverse strutture di borofene sono state confermate sperimentalmente nel 2015 da un gruppo di ricercatori coordinati da Marc C. Hersam (Nothwestern University, Evaston, IL, USA) e Nathan P. Guisinger (Argonne National Laboratory, IL, USA) [2].

Marc C. Hersam (sopra) e Nathan P. Guisinger (sotto)

Sperimentalmente, strati sottili di borofeni cristallini e a carattere metallico sono stati sintetizzati su superfici metalliche pulite in condizioni di ultra alto vuoto [2]. La loro struttura atomica è costituita da motivi triangolari ed esagonali misti, come mostrato nella Figura 1. La struttura atomica è una conseguenza di un’interazione tra il legame a due centri e quello multicentrico planare, tipico degli elementi carenti di elettroni come il boro.

Figura 1. Strutture cristalline del borofene

Il borofene ha catturato l’attenzione dei ricercatori per le sue proprietà, come l’elevata resistenza meccanica, la flessibilità e la superconduttività. Più forte e flessibile del grafene, un singolo strato atomico di borofene potrebbe rivoluzionare sensori, batterie elettriche e informatica quantistica.

Tuttavia, il borofene si ossida immediatamente all’aria, perdendo le sue proprietà conduttive, quindi non può esistere al di fuori di una camera ad altissimo vuoto. Ciò ha gravemente ostacolato l’esplorazione del borofene e delle sue caratteristiche.

Molto recentemente Mark Hersam[1] e il suo gruppo di ricerca hanno sintetizzato “borofanici”  polimorfi, idrogenando il borofene con idrogeno atomico in ultra alto vuoto [3].

Attraverso l’imaging su scala atomica, metodi spettroscopici e calcoli quantomeccanici, il polimorfo borofano più diffuso ha dimostrato di possedere una combinazione di legami boro-idrogeno a due centri-due elettroni e legami boro-idrogeno-boro tre-centri-due-elettroni (figura 2).

Figura 2. Struttura del borofano, in verde acqua gli atomi di boro, in rosso quelli di idrogeno © Northwestern University

I polimorfi di borofano sono metallici con funzioni lavoro locale modificate, e possono ritornare in modo reversibile al borofene attraverso il desorbimento termico dell’idrogeno. L’idrogenazione fornisce anche la passivazione chimica perché il borofano riduce i tassi di ossidazione di oltre due ordini di grandezza dopo l’esposizione ambientale. Il prodotto idrogenato è stabile nell’aria per giorni e le sue proprietà possono essere indagate perché è stabile al di fuori del vuoto.

Hersam prevede che il suo utilizzo prolifererà rapidamente.

*Largamente ampliato da un breve articolo di Rebecca Trager su Chemistry World del 15 marzo 2021. 

Bibliografia

[1] I. Boustani, New quasi-planar surfaces of bare boron., Surface Science, 1997, 370, 355-363.

[2] A.J. Mannix et al., Synthesis of borophenes: Anisotropic, two-dimensional boron polymorphs., Science, 2015, 350, 1513-1516.

[3] Q. Li et al., Synthesis of borophane polymorphs through hydrogenation of borophene., Science,2021, 371, 1143-1148; DOI: 10.1126/science.abg1874


[1] Nel 2010 Mark C. Hersam fu nominato miglior giovane ricercatore per i materiali nano elettronici (MRS Bulletin, Cambridge University Press, January 2011).

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