پژوهشگران شکل جدیدی از بور ساختند؛ ماده‌ای انعطاف‌پذیر که 10 میلیون برابر رساناتر است
دانشمندان شکل جدیدی از بور ساختند؛ ماده‌ای انعطاف‌پذیر که ۱۰ میلیون برابر رساناتر است
پژوهشگران موفق شده‌اند نوع تازه‌ای از بور را تولید و در شرایط آزمایشگاهی بررسی کنند که ویژگی‌های آن با بسیاری از ساختارهای شناخته‌شده این عنصر تفاوت چشمگیری دارد. ماده جدید که Imma-B60 نام گرفته است، می‌تواند بدون آنکه دچار شکست شود، تغییر شکل قابل‌توجهی را تحمل کند و در دمای اتاق نیز رسانایی الکتریکی بسیار بیشتری نسبت به بور معمولی داشته باشد. اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهند رسانایی این ساختار جدید در دمای اتاق به حدود ۹۰۰ زیمنس بر متر می‌رسد؛ رقمی که در مقایسه با شکل رایج بور حدود ۱۰ میلیون برابر بیشتر است.
این دستاورد از آن جهت اهمیت دارد که بور سال‌ها به‌عنوان عنصری با سختی زیاد اما شکنندگی بالا شناخته می‌شد. بسیاری از دگرشکل‌های بور، اگرچه از استحکام و مقاومت مناسبی برخوردارند، در برابر تغییر شکل انعطاف‌پذیری چندانی ندارند و از نظر انتقال جریان الکتریکی نیز عملکرد محدودی نشان می‌دهند. اکنون ساخت Imma-B60 نشان داده است که می‌توان با مهندسی آرایش اتم‌های بور، مجموعه‌ای متفاوت از خواص مکانیکی و الکتریکی را در همین عنصر ایجاد کرد.
به گزارش فیز دات ارگ، پژوهشگران برای دستیابی به این ساختار ابتدا ترکیبی حاوی بور و سدیم ساختند و سپس با خارج کردن تدریجی اتم‌های سدیم، چارچوب بور را حفظ کردند. نتیجه این فرآیند، شبکه‌ای اتمی است که پیش از تولید آزمایشگاهی، تنها در محاسبات و پیش‌بینی‌های نظری مطرح شده بود. پژوهش مربوط به این دستاورد در نشریه Nature Chemistry منتشر شده است.
چرا ساختار جدید بور اهمیت دارد؟
بور از جمله عناصر نسبتاً خاص جدول تناوبی محسوب می‌شود. این عنصر در گروه ۱۳ قرار دارد و از نظر ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی، رفتاری میان فلزات و نافلزات از خود نشان می‌دهد. با این حال، آنچه مطالعه بور را برای دانشمندان جذاب می‌کند تنها ترکیب شیمیایی آن نیست؛ بلکه توانایی اتم‌های بور برای تشکیل ساختارهای گوناگون است.
اتم‌های یک عنصر می‌توانند در آرایش‌های متفاوتی کنار یکدیگر قرار بگیرند و در نتیجه مواد حاصل، با وجود داشتن ترکیب عنصری یکسان، ویژگی‌های کاملاً متفاوتی پیدا کنند. این ساختارها در مورد عناصر خاصی با عنوان آلوتروپ یا دگرشکل شناخته می‌شوند. یکی از مشهورترین نمونه‌ها کربن است. گرافیت و الماس هر دو از اتم‌های کربن ساخته شده‌اند، اما تفاوت در نحوه اتصال و آرایش اتم‌ها باعث شده است گرافیت ماده‌ای نرم و رسانا باشد، در حالی که الماس ساختاری بسیار سخت دارد و رسانایی الکتریکی آن بسیار پایین است.
بور نیز می‌تواند در قالب ساختارهای اتمی متفاوت وجود داشته باشد. برخی از دگرشکل‌های آن ساختارهایی پیچیده دارند که تعداد زیادی اتم بور در آن‌ها به شکل شبکه‌ای منظم سازمان‌دهی شده‌اند. این ساختارها معمولاً سختی بالایی دارند، اما همین پیوندهای محکم می‌توانند باعث شوند ماده در مقابل تغییر شکل رفتار شکننده‌ای داشته باشد.
مشکل دیگر به ویژگی الکتریکی بور مربوط می‌شود. بور عنصری نیست که در شرایط معمول بتوان آن را مانند یک فلز خوب برای انتقال جریان به کار برد. ساختار الکترونی دگرشکل‌های رایج آن باعث می‌شود حرکت حامل‌های بار در ماده محدود باشد. به همین دلیل، دانشمندان مدت‌ها به دنبال ساختارهایی از بور بوده‌اند که بتوانند همزمان خواص مکانیکی مطلوب و رسانایی الکتریکی بیشتری داشته باشند.
Imma-B60 دقیقاً در همین نقطه اهمیت پیدا می‌کند. این ماده نشان می‌دهد که تغییر آرایش اتمی می‌تواند دو ویژگی مهم، یعنی قابلیت تغییر شکل و رسانایی، را در یک ساختار واحد بهبود دهد.
بور چه کاربردهایی دارد؟
با وجود محدودیت‌های شکل‌های معمول بور، این عنصر از مدت‌ها قبل در صنایع و پژوهش‌های مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های بور و بسیاری از ترکیبات آن، سختی بالا و مقاومت مناسب در شرایط خاص است. همین ویژگی موجب شده است مواد حاوی بور در ساخت ترکیبات مقاوم، مواد مهندسی‌شده و برخی کاربردهای صنعتی مورد توجه قرار بگیرند.
بور همچنین توانایی قابل‌توجهی در جذب نوترون دارد. به همین دلیل، برخی ترکیبات آن در فناوری هسته‌ای و تجهیزات مرتبط با کنترل یا آشکارسازی نوترون مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این ویژگی در حوزه‌های پژوهشی مرتبط با فیزیک هسته‌ای نیز اهمیت دارد.
از سوی دیگر، بور در صنعت نیمه‌رسانا نیز جایگاه مشخصی دارد. افزودن مقدار کنترل‌شده‌ای از برخی عناصر به مواد نیمه‌رسانا می‌تواند ویژگی‌های الکتریکی آن‌ها را تغییر دهد و بور در چنین فرآیندهایی کاربرد دارد. البته این موضوع با رسانایی مستقیم خود عنصر بور تفاوت دارد و نباید آن را به این معنا دانست که بور معمولی یک رسانای الکتریکی قدرتمند است.
دستاورد جدید پژوهشگران از این جهت قابل توجه است که یک ساختار کاملاً متفاوت از بور را معرفی می‌کند؛ ساختاری که می‌تواند جریان الکتریکی را بسیار بهتر عبور دهد و همزمان در برابر اعمال نیرو، رفتار انعطاف‌پذیرتری داشته باشد.
ساخت Imma-B60 چگونه انجام شد؟
تولید این ماده به‌طور مستقیم از بور خالص انجام نشد. پژوهشگران برای دستیابی به ساختار مورد نظر از یک ترکیب واسطه استفاده کردند که Na4B60 یا بورید سدیم نام دارد. در این ترکیب، اتم‌های سدیم در کنار شبکه‌ای از اتم‌های بور قرار گرفته‌اند.
وجود سدیم در این مرحله اهمیت زیادی داشت. اتم‌های سدیم در حقیقت نقش نوعی قالب موقت را ایفا می‌کردند و به شکل‌گیری آرایش مورد نظر اتم‌های بور کمک می‌کردند. پژوهشگران می‌خواستند پس از ایجاد شبکه مناسب، سدیم را از آن خارج کنند تا چارچوب بور باقی بماند.
با این حال، رسیدن به چنین ساختاری آسان نبود. یکی از چالش‌های اصلی، رشد بلورهایی با کیفیت مناسب بود. برای مطالعه دقیق یک ماده جدید، ساختار بلوری باید تا حد امکان منظم باشد؛ زیرا نقص‌های زیاد یا اندازه بسیار کوچک بلورها می‌تواند اندازه‌گیری خواص واقعی ماده را دشوار کند.
پژوهشگران برای برطرف کردن این مشکل، هنگام رشد بلورهای Na4B60 از لایه‌های میانی روی استفاده کردند. این روش امکان تشکیل بلورهای بزرگ‌تر و منظم‌تر را فراهم کرد و شرایط لازم را برای مرحله بعدی فرآیند ایجاد کرد.
پس از آماده شدن بلورها، مرحله حذف سدیم آغاز شد. نمونه‌ها در یک کوره خلأ قرار گرفتند و برای مدت حدود دو روز در دمای ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد حرارت داده شدند. شرایط خلأ و دمای بالا باعث شد اتم‌های سدیم به‌تدریج از ساختار خارج شوند.
نکته مهم این بود که خروج سدیم نباید به فروپاشی چارچوب بور منجر می‌شد. در صورت حفظ شبکه اتمی پس از حذف سدیم، پژوهشگران می‌توانستند به ساختاری دست پیدا کنند که از نظر آرایش اتمی با بورهای شناخته‌شده متفاوت باشد.
در نهایت، همین فرآیند به شکل‌گیری ساختار Imma-B60 منجر شد؛ ماده‌ای که وجود آن پیش از این در مدل‌های محاسباتی پیش‌بینی شده بود، اما اکنون امکان تولید و بررسی تجربی آن فراهم شده است.
شبکه اتمی Imma-B60 چه تفاوتی دارد؟
یکی از دلایل اصلی تفاوت رفتار Imma-B60 با بورهای معمولی، آرایش اتم‌های آن است. در بسیاری از ساختارهای شناخته‌شده بور، اتم‌ها در شبکه‌هایی نسبتاً فشرده و مستحکم قرار گرفته‌اند. چنین آرایشی می‌تواند سختی زیادی ایجاد کند، اما الزاماً به انعطاف‌پذیری منجر نمی‌شود.
در ساختار جدید، اتم‌های بور شبکه‌ای بازتر و متخلخل‌تر تشکیل می‌دهند. این شبکه شامل واحدهایی شبیه قفس است که از ۱۲ اتم بور تشکیل شده‌اند و این واحدها به کمک ساختارهای سه‌اتمی به یکدیگر متصل می‌شوند.
چنین معماری اتمی باعث می‌شود فضای خالی بیشتری در ساختار وجود داشته باشد. این فضای خالی را می‌توان یکی از عوامل مهم در رفتار مکانیکی متفاوت ماده دانست. هنگام اعمال نیرو، شبکه می‌تواند تا حدی تغییر آرایش دهد و اتم‌ها جابه‌جایی‌های کوچکی داشته باشند، بدون اینکه پیوندهای ساختاری آن بلافاصله از هم گسسته شوند.
در یک ماده بسیار متراکم و شکننده، فشار یا کشش ممکن است در نقطه‌ای متمرکز شود و ترک ایجاد کند. ترک نیز می‌تواند به‌سرعت در ساختار گسترش پیدا کند و در نهایت شکست ماده را رقم بزند. اما شبکه باز Imma-B60 امکان توزیع متفاوت تنش را فراهم می‌کند و به ساختار فرصت بیشتری برای سازگاری با تغییر شکل می‌دهد.
البته انعطاف‌پذیری این ماده به معنای نرم بودن آن نیست. Imma-B60 همچنان یک ساختار مبتنی بر پیوندهای بور است و از نظر مکانیکی ویژگی‌های قابل توجهی دارد. آنچه این ماده را متمایز می‌کند، ترکیب استحکام با توانایی تغییر شکل در مقیاسی است که برای دگرشکل‌های معمول بور غیرمعمول محسوب می‌شود.
Imma-B60 تا چه اندازه انعطاف‌پذیر است؟
نتایج آزمایش‌های مکانیکی نشان دادند که Imma-B60 می‌تواند پیش از شکست، تغییر شکل قابل‌توجهی را تحمل کند. در یکی از آزمایش‌ها، نمونه توانست حدود ۲۳ درصد تغییر شکل داشته باشد، بدون اینکه دچار شکست شود.
برای یک ماده مبتنی بر بور، چنین رفتاری بسیار قابل توجه است. دلیل اهمیت این عدد زمانی روشن‌تر می‌شود که آن را با مواد سخت و شکننده مقایسه کنیم؛ موادی که ممکن است با وجود استحکام زیاد، در صورت اعمال فشار یا کشش کافی به‌سرعت ترک بخورند.
پژوهشگران همچنین آزمایش‌هایی روی نمونه‌های بسیار کوچک‌تر انجام دادند و در این آزمایش‌ها میزان تغییر شکل به حدود ۳۲ درصد رسید. اختلاف میان این مقادیر می‌تواند به اندازه و هندسه نمونه، شرایط آزمایش و عوامل مربوط به ساختار ماده مربوط باشد.
این نتایج نشان می‌دهند ویژگی مکانیکی Imma-B60 صرفاً حاصل یک مشاهده نظری نیست و رفتار متفاوت شبکه در آزمایش نیز قابل مشاهده است. البته برای مشخص شدن کاربردهای واقعی ماده، آزمایش‌های بیشتری در مقیاس‌های مختلف و تحت شرایط متفاوت مورد نیاز خواهد بود.
چرا Imma-B60 رسانایی بالایی دارد؟
ویژگی مهم دیگر این ماده به رفتار الکترون‌ها در ساختار آن مربوط می‌شود. برای درک این موضوع باید به مفهوم ساختار نواری الکترونی توجه کرد.
در مواد مختلف، الکترون‌ها نمی‌توانند هر مقدار انرژی دلخواهی داشته باشند و در حالت‌های مشخصی قرار می‌گیرند. فاصله انرژی میان برخی نوارهای مجاز را می‌توان با مفهوم شکاف باند توصیف کرد. هرچه این فاصله در شرایط مورد نظر بیشتر باشد، انتقال حامل‌های بار دشوارتر می‌شود.
در ساختارهای عایق، شکاف باند معمولاً به اندازه‌ای است که الکترون‌ها به‌سادگی نمی‌توانند وارد حالت‌های مناسب برای انتقال جریان شوند. در نیمه‌رساناها این فاصله کمتر است و رسانایی می‌تواند تحت شرایط مختلف تغییر کند.
محاسبات و اندازه‌گیری‌های مربوط به Imma-B60 نشان می‌دهند شکاف باند این ساختار کمتر از ۰٫۲ الکترون‌ولت است. این مقدار با شکاف باند بیش از ۱٫۵ الکترون‌ولت که برای دگرشکل‌های معمول بور ذکر شده، تفاوت چشمگیری دارد.
کاهش شکاف باند به این معناست که شرایط برای حرکت حامل‌های بار در ساختار جدید مناسب‌تر است. نتیجه این ویژگی، افزایش چشمگیر رسانایی الکتریکی ماده است.
رسانایی ۹۰۰ زیمنس بر متر یعنی چه؟
یکی از اعداد مهم گزارش‌شده برای Imma-B60، رسانایی حدود ۹۰۰ زیمنس بر متر در دمای اتاق است. زیمنس واحد اندازه‌گیری رسانایی الکتریکی است و مقدار بالاتر آن به‌طور کلی به معنای توانایی بیشتر ماده برای عبور جریان الکتریکی در شرایط یکسان است.
پژوهشگران بر اساس مقایسه با بور رایج، افزایش حدود ۱۰ میلیون برابری در رسانایی را گزارش کرده‌اند. این تفاوت بزرگ نشان می‌دهد که تغییر ساختار اتمی چگونه می‌تواند ویژگی الکتریکی یک عنصر را دگرگون کند.
با این حال، نباید عبارت «۱۰ میلیون برابر رساناتر» را با رسانایی فلزات معمولی یکسان دانست. Imma-B60 هنوز یک رسانای فلزی کامل محسوب نمی‌شود و رفتار آن بیشتر به یک نیمه‌رسانای بسیار رسانا شباهت دارد.
بنابراین، اهمیت این یافته بیشتر در مقایسه با خود بور و دگرشکل‌های شناخته‌شده آن است. ماده جدید نشان می‌دهد لازم نیست برای دستیابی به خواص الکتریکی متفاوت، الزاماً ترکیب شیمیایی ماده را کاملاً تغییر داد؛ گاهی تغییر در نحوه قرارگیری اتم‌های یک عنصر می‌تواند تأثیر بسیار بزرگی ایجاد کند.
ارتباط میان ساختار مکانیکی و ویژگی الکتریکی
یکی از جذاب‌ترین جنبه‌های Imma-B60 این است که دو ویژگی متفاوت در یک ساختار واحد کنار هم قرار گرفته‌اند. از یک طرف، شبکه باز و متخلخل به ماده امکان تغییر شکل بیشتری می‌دهد و از طرف دیگر، آرایش الکترونی آن شرایط مناسبی برای انتقال حامل‌های بار ایجاد می‌کند.
در علم مواد، پیدا کردن ترکیبی از خواص متفاوت معمولاً دشوار است. ماده‌ای که بسیار سخت است ممکن است شکننده باشد و ماده‌ای که به‌راحتی تغییر شکل می‌دهد الزاماً استحکام بالایی نداشته باشد. به همین شکل، افزایش استحکام مکانیکی همیشه با افزایش رسانایی الکتریکی همراه نیست.
به همین دلیل، طراحی مواد چندمنظوره یکی از موضوعات مهم در پژوهش‌های مدرن مواد محسوب می‌شود. ساختارهایی که بتوانند هم ویژگی‌های مکانیکی مناسب و هم عملکرد الکتریکی قابل توجه داشته باشند، در صورت تولید پایدار و مقرون‌به‌صرفه می‌توانند برای نسل‌های آینده فناوری اهمیت پیدا کنند.
Imma-B60 در حال حاضر هنوز در مرحله پژوهشی قرار دارد، اما نتایج اولیه نشان می‌دهند مهندسی ساختار اتمی بور می‌تواند راهی برای دستیابی به خواصی باشد که در دگرشکل‌های سنتی این عنصر کمتر دیده می‌شود.
آیا این ماده می‌تواند وارد محصولات الکترونیکی شود؟
در حال حاضر نمی‌توان گفت Imma-B60 به‌زودی در گوشی‌های هوشمند، رایانه‌ها یا دیگر تجهیزات الکترونیکی مورد استفاده قرار خواهد گرفت. تولید ماده در شرایط آزمایشگاهی با تولید انبوه صنعتی تفاوت زیادی دارد.
برای استفاده عملی از یک ماده جدید، عوامل متعددی باید بررسی شوند. نخست باید مشخص شود که آیا می‌توان ماده را در حجم بسیار بیشتر و با کیفیت یکنواخت تولید کرد یا خیر. سپس پایداری آن در شرایط مختلف، از جمله دما، فشار، محیط شیمیایی و میدان‌های الکتریکی، باید مورد بررسی قرار گیرد.
همچنین هزینه مواد اولیه، تجهیزات مورد نیاز، سرعت تولید و امکان قرار دادن ماده در ساختارهای صنعتی باید مشخص شود. حتی اگر یک ماده در آزمایشگاه عملکرد فوق‌العاده‌ای داشته باشد، ممکن است تولید آن در ابعاد صنعتی بسیار دشوار یا پرهزینه باشد.
در مورد Imma-B60 نیز هنوز فاصله قابل توجهی میان کشف آزمایشگاهی و کاربرد تجاری وجود دارد. بنابراین، بهتر است این دستاورد را در حال حاضر به‌عنوان یک پیشرفت بنیادی در علم مواد در نظر گرفت، نه فناوری آماده برای ورود به بازار.
اهمیت این کشف برای آینده علم مواد
ساخت Imma-B60 یک پیام مهم برای پژوهشگران دارد: ویژگی‌های یک عنصر تنها به هویت شیمیایی آن وابسته نیستند و نحوه سازمان‌دهی اتم‌ها می‌تواند رفتار ماده را به‌طور اساسی تغییر دهد.
بور سال‌ها به دلیل سختی بالا و شکنندگی شناخته می‌شد. اکنون ساختاری از همین عنصر معرفی شده که می‌تواند پیش از شکست تغییر شکل قابل توجهی داشته باشد و در عین حال رسانایی الکتریکی آن نیز چندین میلیون برابر بیشتر از بور معمولی است.
این موضوع می‌تواند مسیر مطالعات آینده را به سمت طراحی دگرشکل‌های جدید از عناصر دیگر نیز هدایت کند. دانشمندان می‌توانند با استفاده از محاسبات نظری، ساختارهایی را شناسایی کنند که در حالت عادی تشکیل آن‌ها دشوار است و سپس روش‌های شیمیایی و فیزیکی مناسبی برای تولید آن‌ها پیدا کنند.
در واقع، Imma-B60 نمونه‌ای از همکاری میان محاسبات مواد و آزمایش‌های واقعی است. ساختار این ماده ابتدا در محاسبات نظری مورد توجه قرار گرفت و سپس پژوهشگران تلاش کردند شرایط مناسب برای تولید آن را در آزمایشگاه پیدا کنند.
آیا Imma-B60 یک فلز است؟
با وجود رسانایی بسیار بالاتر نسبت به بور معمولی، پاسخ کوتاه به این پرسش منفی است. Imma-B60 را نمی‌توان در رده رساناهای فلزی معمولی قرار داد.
رفتار الکترونیکی این ماده بیشتر با یک نیمه‌رسانای با رسانایی بالا سازگار است. همین نکته اهمیت دارد، زیرا نیمه‌رساناها برخلاف رساناهای فلزی می‌توانند رفتار الکتریکی خود را تحت تأثیر ساختار انرژی و شرایط محیطی تغییر دهند.
شکاف باند کمتر از ۰٫۲ الکترون‌ولت، یکی از عوامل کلیدی در رسانایی قابل توجه Imma-B60 است. در مقابل، شکاف باند بزرگ‌تر در ساختارهای رایج بور باعث می‌شود انتقال جریان بسیار محدودتر باشد.
بنابراین، افزایش رسانایی گزارش‌شده به معنای تبدیل بور به یک فلز معمولی نیست؛ بلکه نشان‌دهنده ایجاد یک ساختار الکترونیکی کاملاً متفاوت در دگرشکل جدید است.
از قفس‌های اتمی تا یک ماده جدید
اگر ساختار Imma-B60 را از دیدگاه اتمی بررسی کنیم، می‌توان آن را شبکه‌ای از واحدهای به‌هم‌پیوسته دانست که فضای خالی قابل توجهی میان آن‌ها وجود دارد. قفس‌های ۱۲ اتمی بور و اتصال آن‌ها به وسیله واحدهای سه‌اتمی، معماری خاصی ایجاد می‌کنند که هم در رفتار مکانیکی و هم در ویژگی‌های الکترونیکی نقش دارد.
فضاهای خالی میان واحدهای شبکه باعث می‌شوند ساختار هنگام اعمال نیرو، امکان جابه‌جایی و تغییر آرایش داشته باشد. این مسئله با ساختارهای متراکم بور تفاوت دارد و یکی از توضیحات ارائه‌شده برای انعطاف‌پذیری بالاتر ماده محسوب می‌شود.
از سوی دیگر، همین آرایش اتمی بر نحوه قرارگیری و حرکت الکترون‌ها نیز تأثیر می‌گذارد. در نتیجه، ساختاری که از نظر هندسی متفاوت است، ویژگی‌های الکتریکی متفاوتی نیز نشان می‌دهد.
این نمونه بار دیگر نشان می‌دهد که در مقیاس اتمی، تغییر کوچک در نحوه قرارگیری اجزای ماده می‌تواند نتیجه‌ای بسیار بزرگ در مقیاس قابل اندازه‌گیری ایجاد کند.
هنوز چه پرسش‌هایی باقی مانده است؟
با وجود نتایج امیدوارکننده، تحقیقات درباره Imma-B60 هنوز به پایان نرسیده است. یکی از پرسش‌های مهم، میزان پایداری ساختار جدید در شرایط مختلف است. مشخص شدن اینکه ماده در دماهای پایین و بالا، فشارهای متفاوت و محیط‌های شیمیایی گوناگون چگونه رفتار می‌کند، برای ارزیابی کاربردهای احتمالی آن ضروری است.
پرسش دیگر به تولید در مقیاس بزرگ مربوط می‌شود. ساخت بلورهای مناسب در آزمایشگاه یک مرحله است، اما تولید ورقه‌ها، قطعات یا حجم‌های بزرگ از ماده با کیفیت ثابت، چالش متفاوتی خواهد بود.
همچنین لازم است رفتار ماده در چرخه‌های مکرر تغییر شکل بررسی شود. اینکه Imma-B60 یک بار بتواند حدود ۲۳ یا حتی ۳۲ درصد تغییر شکل را تحمل کند، با اینکه بتواند بارها تحت فشار و کشش قرار بگیرد و همچنان عملکرد خود را حفظ کند، تفاوت دارد.
ویژگی‌های الکتریکی نیز باید در شرایط مختلف با جزئیات بیشتری مطالعه شوند. اگر رسانایی بالا در طیف گسترده‌ای از دماها و شرایط عملیاتی حفظ شود، ارزش کاربردی ماده افزایش خواهد یافت.
چشم‌انداز استفاده در فناوری‌های پیشرفته
در صورت حل چالش‌های مربوط به تولید و پایداری، مواد دارای ترکیب همزمانی از استحکام، انعطاف‌پذیری و رسانایی می‌توانند در حوزه‌های مختلف مورد توجه قرار بگیرند. تجهیزات الکترونیکی پیشرفته، حسگرها و برخی قطعات مهندسی‌شده تنها نمونه‌هایی از حوزه‌هایی هستند که پژوهشگران ممکن است در آینده بررسی کنند.
البته هیچ‌یک از این کاربردها در مورد Imma-B60 هنوز قطعی نیست. فاصله میان یک ویژگی جذاب در آزمایشگاه و محصول صنعتی بسیار زیاد است و معمولاً سال‌ها تحقیق و توسعه لازم است تا یک ماده جدید بتواند از مرحله آزمایشگاهی عبور کند.
با این حال، کشف ساختاری مانند Imma-B60 می‌تواند مجموعه‌ای از مسیرهای تحقیقاتی تازه ایجاد کند. اگر دانشمندان بتوانند روش تولید این ساختار را بهینه کنند یا ساختارهای مشابهی با خواص بهتر پیدا کنند، احتمال دارد خانواده‌ای از مواد مبتنی بر بور با ویژگی‌های متفاوت شکل بگیرد.
یک گام تازه در مهندسی اتم‌ها
اهمیت اصلی این پژوهش را می‌توان در مفهوم مهندسی ماده در مقیاس اتمی خلاصه کرد. پژوهشگران به‌جای آنکه تنها به ترکیب شیمیایی یک ماده نگاه کنند، تلاش کرده‌اند نحوه قرارگیری اتم‌ها را نیز به‌عنوان یک ابزار طراحی در نظر بگیرند.
در مورد Imma-B60، حذف اتم‌های سدیم از یک ترکیب واسطه باعث شد چارچوبی از بور باقی بماند که ویژگی‌های آن با بورهای شناخته‌شده تفاوت اساسی دارد. این روش نشان می‌دهد برخی ساختارهای پیچیده را می‌توان با استفاده از مواد واسطه ایجاد کرد و سپس با حذف یک جزء، شبکه مورد نظر را به دست آورد.
از نگاه علم مواد، چنین رویکردی اهمیت زیادی دارد؛ زیرا ممکن است ساختارهایی که تولید مستقیم آن‌ها بسیار دشوار است، از طریق پیش‌ماده‌های مناسب قابل دستیابی باشند.
جمع‌بندی
پژوهشگران با تولید Imma-B60 شکل تازه‌ای از بور را به‌صورت آزمایشگاهی ایجاد کرده‌اند؛ ساختاری که پیش از این بیشتر در محاسبات نظری شناخته می‌شد. این ماده از طریق ایجاد بورید سدیم و سپس خارج کردن اتم‌های سدیم در دمای ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد و در شرایط خلأ به دست آمد.
ساختار نهایی بور دارای شبکه‌ای باز و متخلخل است که از قفس‌های ۱۲ اتمی و واحدهای سه‌اتمی تشکیل شده است. چنین معماری‌ای به ماده اجازه می‌دهد هنگام اعمال فشار، تغییر شکل بیشتری را پیش از شکست تحمل کند. آزمایش‌ها تغییر شکل حدود ۲۳ درصد و در نمونه‌های کوچک‌تر حتی حدود ۳۲ درصد را نشان داده‌اند.
در بخش الکتریکی نیز Imma-B60 عملکرد متفاوتی دارد. شکاف باند کمتر از ۰٫۲ الکترون‌ولت در این ساختار، در مقایسه با بیش از ۱٫۵ الکترون‌ولت در بورهای معمولی، شرایط مساعدتری برای انتقال حامل‌های بار فراهم می‌کند. رسانایی حدود ۹۰۰ زیمنس بر متر در دمای اتاق نیز باعث شده است رسانایی آن در مقایسه با بور رایج حدود ۱۰ میلیون برابر بیشتر باشد.
با وجود این، Imma-B60 هنوز یک رسانای فلزی کامل نیست و بیشتر به‌عنوان نیمه‌رسانایی با رسانایی بالا شناخته می‌شود. همچنین هنوز نمی‌توان از کاربرد تجاری آن در تجهیزات الکترونیکی یا سایر فناوری‌ها سخن گفت؛ زیرا تولید انبوه، پایداری، عملکرد بلندمدت و امکان استفاده صنعتی از آن نیازمند تحقیقات بیشتری است.
آنچه این پژوهش را مهم می‌کند، نشان دادن ظرفیت بالای تغییر ساختار اتمی برای ایجاد خواص جدید است. بور که در شکل‌های شناخته‌شده خود عمدتاً ماده‌ای سخت، شکننده و کم‌رسانا محسوب می‌شود، در قالب Imma-B60 رفتاری متفاوت نشان داده است. این یافته می‌تواند به پژوهشگران کمک کند تا در آینده ساختارهای تازه‌ای را نه فقط در بور، بلکه در مواد دیگر نیز طراحی و آزمایش کنند؛ ساختارهایی که شاید بتوانند همزمان چند ویژگی مورد نیاز فناوری‌های نسل آینده را در خود جای دهند.
https://farcoland.com/LCGBmj
کپی آدرس
