دانشمندان یک ماده جدید را شبیه سازی کرده اند که می تواند حتی از گرافن نیز عجیب تر باشد؛ ورقه هایی از کربن به ضخامت یک اتم که نه تنها بسیار انعطاف پذیر، سخت تر از الماس و قوی تر از فولاد می باشند، بلکه همچنین اخیراً به خودی خود به اَبَر رسانا تبدیل شده اند.

گویا آی تی – گرافن ماده تنها نانو ماده خارق العاده کشف شده محسوب نمی شود. پژوهشگران به تازگی یک بورون تک بعدی (۱D) کشیده شده را شبیه سازی کرده اند و پیش بینی می کنند که این ماده حتی دارای خصوصیات عجیب تری نسبت به گرافن باشد.
البته باید تاکید کنم که زنجیره های بورون تک بعدی هنوز تاکنون تولید نشده اند و این پژوهش صرفاً بر اساس شبیه سازی های کامپیوتری دقیق این ماده جدید بوده است.
اما آزمایشگاه ها قبلاً به طور موفقیت آمیزی اشکال با ضخامت یک اتم فلورین (مولکول کروی توخالی تشکیل شده از تعداد زیادی اتم کربن) بورون را سنتز کرده اند و زنجیره های کربن با ضخامت یک اتم با عنوان کربین را نیز تولید کرده اند. بنابراین پژوهشگران پیش بینی می کنند که فقط به زمان نیاز است تا زنجیره های تک بعدی بورون به واقعیت تبدیل شوند.
اگر این شبیه سازی صحیح باشد ما مطمئناً با چیز غیر منتظره ای مواجه خواهیم شد، زیرا شبیه سازی ها نشان می دهند که چه زمانی اشکال تک بعدی بورون ساخته می شوند، آنها تا حدودی دارای برخی خصوصیات باور نکردنی هستند.

برای مثال، وقتی آنها کشیده می شوند این زنجیره های فلزی به نیمه رساناهای پاد فرومغناطیسی تبدیل می شوند – یعنی یک فلز غیر مغناطیسی که می تواند الکتریسیته را با مقاومت صفر هدایت کند. و وقتی آنها آزاد شوند به نوارهای منظمی با ضخامت دو اتم تا می خورند.
همچنین پیش بینی می شود که سختی مکانیکی این ماده با نانو ماده های دارای بالاترین عملکرد شناخته شده در علم برابر باشد.
آنها می توانند به عنوان فنرهای کوچک نیروی ثابت عمل کنند – این فنرها نوعی فنر ساختار شکن هستند که نیروی ثابتی را در دامنه حرکتی خود اعمال می کنند ( در صورتی که اکثر فنرهای دیگر هر چقدر بیشتر فشرده شوند، نیروی بیشتری را اعمال می کنند).
اگرچه این پژوهش هنوز در سطح تئوری است، اما تا تبدیل شدن به واقعیت فاصله زیادی ندارد. این شبیه سازی ها توسط گروهی از پژوهشگران از دانشگاه Rice انجام شده است، تخصص این گروه در زمینه شبیه سازی های کامپیوتری در سطح اتم موادی است که هنوز وجود خارجی ندارند.
این گروه دارای سابقه عملکرد نسبتاً خوبی هستند. آنها علاوه بر زنجیره های اتم های کربن و فلورین های بورون، قبلاً موفق شده اند تا رفتار لایه های بورن دو بعدی به نام بروفن را پیش بینی و شبیه سازی کنند، این لایه ها شبیه گرافن هستند.

بوریس یاکوبسون، سرپرست پژوهشگران می گوید، ” کار ما بر روی بورون مسطح و کربین باعث شده تا این تصور در ما ایجاد شود که یک زنجیره تک بعدی از اتم های بورون نیز می تواند یک ساختار امکان پذیر و جذاب باشد. ”
” ما می خواستیم بدانیم که آیا آن پایدار است و خصوصیات آن چیست. در این جا روش های محاسباتی تئوریک مدرن تاثیرگذار هستند، زیرا می توان ارزیابی های تقریباً واقع گرایانه از ساختارهای ناموجود انجام داد. ”
گرافن دو بعدی است، زیرا یک ورقه کامل از کربن با ضخامت یک اتم است. بر خلاف گرافن، ساختار بورون، که تیم دانشگاه Rice در حال شبیه سازی آن هستند، در یک بعد وجود دارد، زیرا آن از یک زنجیره از تک اتم ها و یا از یک نوار متشکل از اتم های دوتایی ساخته شده است.
این نوار و زنجیره به جای این که دو ساختار جداگانه باشند در واقع دو فاز بورون تک بعدی کاملاً مشخص هستند.
این بدین معناست که وقتی بورون تک بعدی کشیده می شود از یک نوار دو اتمی به یک زنجیره تک اتمی تغییر می یابد و سپس دوباره با آزاد شدن فشار به حالت قبل باز می گردد.
شما می توانید این اتفاق را در شبیه سازی زیر در یک زنجیره بورون ۶۴ اتمی مشاهده کنید، به طوری که آن تا نقطه شکست کشیده می شود.
به گفته یاکوبسون، ” بورون تفاوت بسیاری با کربن دارد، آن ترجیح می دهد تا یک ردیف دوگانه از اتم ها را تشکیل دهد، مانند یک خرپا که در ساختار یک پل استفاده می شود. به نظر می رسد که این حالت ثابت ترین و پایین ترین حالت مصرف انرژی باشد.”

او می افزاید، ” اگر شما آن را بکشید شروع به باز شدن می کند و اتم ها به یک رشته تک اتمی تبدیل می شوند و اگر نیرو را آزاد کنید دوباره تا می خورد. این از لحاظ ساختاری پدیده جالبی است، به طوری که در یک لحظه خصوصیات الکترونیکی خود را تغییر می دهد. ”
اتفاق جالب این است که هر یک از دو فاز دارای قابلیت های منحصر بفرد خود هستند – زنجیره تک اتمی یک نیمه رسانا است و نوار دو اتمی یک فلز به شدت سخت است که نسبت به تغییر شکل مقاوم است.
یاکوبسون می گوید، ” این موضوع باعث می شود ترکیب آنها جذاب باشد: وقتی شما آن را تا نیمه می کشید می توانید یک بخش از نوار و یک بخش از زنجیره را داشته باشید. به دلیل این که یکی از آنها فلز و دیگری یک نیمه رسانا است، این ترکیب به یک ” اتصال شاتکی ” تک بعدی و قابل تنظیم تبدیل می شود. ”
یک اتصال شاتکی مانعی است برای الکترون ها در اتصال یک فلز و یک نیمه رسانا و معمولاً به عنوان یک دیود برای کنترل جریان استفاده می شود و صرفاً به آن اجازه می دهد تا در یک جهت جریان یابد.
چرخش اتم ها در یک ماده نیز جالب است – وقتی اتم ها به یک زنجیره تک اتمی کشیده می شوند جهت چرخش بالا یا پایین آنها در جهت های مخالف تنظیم می شود، به طوری که آن ماده را به پاد فرومغناطیس تبدیل می کند.
پژوهشگران اخیراً به مواد پاد فرومغناطیس بسیار علاقه مند شده اند- به ویژه مواردی که در هدایت الکتریسیته عالی هستند – تا بتوانند اسپینترونیک ها را توسعه دهند، اسپینترونیک ها دستگاه های الکترونیکی مربوط به آینده و با عملکرد بالا هستند.

ما هنوز حتی نمی توانیم بگوییم که آیا این زنجیره های بورون تک بعدی می توانند وجود داشته باشند – اما واقعیت این است که پیش بینی می شود این ماده دارای ویژگی های شگفت انگیزی باشد و احتمالاً دانشمندان تمام تلاش خود را برای ساخت آن در آزمایشگاه انجام می دهند.
ما واقعاً نمی دانیم که در طی این فرآیند آنها ممکن است به چه یافته های منحصر بفردی دست پیدا کنند.
به عقیده یاکوبسون، ” حتی اگر آنها هرگز وجود نداشته باشند نیز همچنان مهم هستند، زیرا ما در حال کاوش محدودیت های امکان پذیر بودن آنها هستیم، که می توان گفت به نوعی آخرین موانع محسوب می شوند.”
این پژوهش در ژورنال انجمن شیمی آمریکا منتشر شده است.