石墨烯（Graphene）作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，被譽(yù)為本世紀(jì)最具有顛覆性的“新材料之王”，甚至被稱為材料界的“黑金”，享盡了科學(xué)界的贊譽(yù)和追捧。然而，最近有一種被人熟知的材料來(lái)“踢館”了——硼（boron）——石墨烯的“王者之座”恐將不保！
不同結(jié)構(gòu)的石墨烯
之所以如此與眾不同，是因?yàn)槭┦侨祟惏l(fā)現(xiàn)的首個(gè)“二維”材料，它的厚度僅為一個(gè)原子，而在它之前，地球上所被發(fā)現(xiàn)的所有材料，都是三維。
硼作為原子序數(shù)比碳小1的元素，長(zhǎng)期以來(lái)也受到了科學(xué)家們的關(guān)注，2014年，布朗大學(xué)的化學(xué)教授王來(lái)生證明了硼烯（Borophene）具有高度的穩(wěn)定性。2015年12月，美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）、中國(guó)南開(kāi)大學(xué)、紐約州立大學(xué)石溪分校以及美國(guó)西北大學(xué)的科學(xué)家展開(kāi)聯(lián)合攻關(guān)，首次在超高真空環(huán)境下合成了這種硼元素組成的二維材料。自此之后，有越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)室在合成單原子厚度的硼烯方面取得了極大進(jìn)展。
來(lái)自萊斯大學(xué)（Rice University）的理論物理學(xué)家鮑里斯·雅各布森（Boris Yakobson）則野心更大，他的目標(biāo)直指一維硼材料，終于獲得了重大突破。近日，鮑里斯·雅各布森領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)利用“第一性原理計(jì)算”（first-principles calculations）的方法，模擬出硼材料一維形態(tài)的兩種同分異構(gòu)體——雙排原子寬度的“硼帶”（ribbon），以及單原子寬度的“硼鏈”（chain）。
萊斯大學(xué)理論物理學(xué)家鮑里斯·雅各布森（右一）
這兩種形態(tài)之間存在由張力驅(qū)動(dòng)的可逆相變。例如，金屬特征的硼帶經(jīng)過(guò)拉伸之后會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁性的半導(dǎo)體硼鏈，當(dāng)拉力釋放之后，硼鏈又能恢復(fù)成硼帶。模擬計(jì)算結(jié)果顯示，硼材料的這兩種一維形態(tài)均具有獨(dú)特的性質(zhì)，硼帶的機(jī)械剛性完全能與目前已知的高性能材料相媲美。此外，硼材料的這兩種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化在經(jīng)過(guò)張力校準(zhǔn)之后，有望作為納米級(jí)恒力彈簧。
隨著拉力的變化，硼材料從帶狀變?yōu)殒湢?/p>
戰(zhàn)果赫赫的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)
雅各布森的實(shí)驗(yàn)室還能對(duì)現(xiàn)實(shí)中可能尚不存在的材料進(jìn)行原子級(jí)的模擬計(jì)算，這種對(duì)未知材料能量性質(zhì)的模擬及測(cè)試，能夠指導(dǎo)科研人員創(chuàng)造出真正的材料。例如，稱為碳炔（carbyne）的碳原子長(zhǎng)鏈、硼富勒烯（boron fullerenes）以及二維硼烯（borophene），這些材料在被真正創(chuàng)造出來(lái)之前，都是由萊斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提前模擬和預(yù)測(cè)的。
雅各布森說(shuō)：“即便一些結(jié)構(gòu)可能永遠(yuǎn)也不會(huì)存在，這種模擬依然具有價(jià)值。因?yàn)槲覀冊(cè)谔剿魉锌赡苄缘臉O限，就像探索最后尚未開(kāi)拓的疆界。”
硼材料的一維結(jié)構(gòu)存在兩種易于分辨的形式（或稱，相）——鏈狀和帶狀，并且兩相之間存在“可逆相變”（reversible phase transition）的關(guān)系，也就是說(shuō)，一維硼材料能從帶狀變?yōu)殒湢睿⒛軓逆湢羁赡娴鼗刈優(yōu)閹睢?/p>
為了證明化學(xué)中神奇的力學(xué)現(xiàn)象，研究人員利用計(jì)算機(jī)模擬“拉動(dòng)”64個(gè)原子長(zhǎng)的桁架狀硼帶結(jié)構(gòu)的末端，張力迫使硼原子重新排列成鏈狀結(jié)構(gòu)。模擬中，研究人員保留了一小段的硼帶結(jié)構(gòu)作為“種子”，當(dāng)張力釋放后，硼原子鏈又利索的變回了帶狀結(jié)構(gòu)，過(guò)程如下圖所示：
巨大的潛在用途
根據(jù)雅各布森的介紹，碳和硼兩種元素間的價(jià)電子數(shù)的差異，導(dǎo)致了兩種材料的性質(zhì)非常不同，硼材料傾向于形成一個(gè)雙排原子結(jié)構(gòu)，就像橋梁建設(shè)中使用的桁架結(jié)構(gòu)。這似乎是硼元素最穩(wěn)定、能量最低的狀態(tài)，不同于碳元素的正四面體（金剛石）等穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。
“硼材料和碳材料非常不同，”雅各布森說(shuō)，“硼材料傾向于形成一個(gè)雙排原子結(jié)構(gòu)，就像橋梁建設(shè)中使用的桁架結(jié)構(gòu)。這似乎是它最穩(wěn)定、能量最低的狀態(tài)。”此外，結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換外同時(shí)還能改變硼材料的電化學(xué)性質(zhì)。
首先，一維帶狀硼材料稱得上是“真正的一維金屬材料”，對(duì)晶格畸變（皮爾斯畸變，Peierlsdistortion）具有很強(qiáng)的魯棒性。桁架狀的結(jié)構(gòu)使得帶狀硼材料具備超高的剛性。
模擬過(guò)程顯示了一維硼材料在張力作用下發(fā)生的理論性材料相變：拉伸時(shí)由帶狀結(jié)構(gòu)變?yōu)殒湢罱Y(jié)構(gòu)；釋放拉力時(shí)，鏈狀結(jié)構(gòu)恢復(fù)為帶狀結(jié)構(gòu)。
其次，當(dāng)硼原子形成鏈狀結(jié)構(gòu)時(shí)，具有應(yīng)力可調(diào)的、寬帶隙的反鐵磁性半導(dǎo)體特性。所謂反鐵磁性，指的是原子矩（原子“向上”或“向下”的自旋態(tài)）向相反的方向?qū)R。這種磁性狀態(tài)與電傳導(dǎo)特性的耦合，或許是自旋電子學(xué)研究人員最感興趣的，有望通過(guò)操縱原子的自旋態(tài)創(chuàng)造高性能的電子器件。
“這將有可能變得非常有價(jià)值，因?yàn)檫@不是簡(jiǎn)單的電荷傳輸，而是自旋態(tài)傳輸。這被認(rèn)為是使用自旋電子學(xué)制作器件的一個(gè)重要方向。”雅各布森說(shuō)。
再次，如果只拉伸帶狀硼結(jié)構(gòu)的一半，將獲得一半帶狀結(jié)構(gòu)和一半鏈狀結(jié)構(gòu)的組合。由于帶狀結(jié)構(gòu)具有金屬性，鏈狀結(jié)構(gòu)則具有半導(dǎo)體特性，組合起來(lái)就形成一維可調(diào)肖特基結(jié)（Schottky junction）。肖特基結(jié)是一種簡(jiǎn)單的金屬與半導(dǎo)體的交界面，它與PN結(jié)相似，具有非線性阻抗特性，常用于二極管中控制電流單向流通。
此外，一維硼結(jié)構(gòu)的彈性特征也非常有趣。這種結(jié)構(gòu)可以被看做是一種特殊的彈簧——恒力彈簧（constant-force spring）”。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，對(duì)于機(jī)械彈簧來(lái)說(shuō)，拉伸量越大，彈力就越大。但是對(duì)于一維硼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，每次將其完全拉伸需要等量的力。如果繼續(xù)拉伸，它就會(huì)斷裂，但如果釋放拉力，它將完全折疊回原始狀態(tài)的帶狀結(jié)構(gòu)。
從機(jī)械結(jié)構(gòu)上來(lái)講，這是一種很好的性能，可以用于納米級(jí)傳感器，用來(lái)測(cè)量極其微小的力。