石墨烯因其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)而廣受關(guān)注，現(xiàn)在科學(xué)家們通過計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)了另一種性能甚至更好的材料——一維硼鏈，其機(jī)械強(qiáng)度可以與最好的納米材料相媲美，其被拉伸時(shí)會(huì)變成反鐵磁性半導(dǎo)體，而拉伸一半時(shí)則會(huì)形成類似二極管的結(jié)構(gòu)。不過目前該材料還處于理論研究階段，尚未被合成出來。

    人們都愛石墨烯——這種僅有一個(gè)原子厚度的碳薄膜不僅特別柔軟，而且比鉆石更硬，比鋼更堅(jiān)固，最近還成為了超導(dǎo)材料。然而它并不是唯一超出期望的納米材料，研究人員最近模擬出了一種可拉伸的一維硼鏈，據(jù)預(yù)測(cè)該材料甚至具有比石墨烯更好的性能。

    需要說明的是，迄今為止這種一維硼鏈還尚未被制備出來，目前對(duì)這種材料的研究還處于計(jì)算機(jī)模擬階段。

    但是實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)成功地合成了單層原子、富勒烯籠狀巴基球形式的硼，以及被稱為碳炔的單層原子碳鏈（如上圖所示）。因此，研究人員預(yù)測(cè)，一維單原子硼鏈遲早會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

    如果成真的話，我們將因此受益。因?yàn)槟M結(jié)果表明：一維硼鏈有一些非常不可思議的性質(zhì)。例如，當(dāng)它們被拉伸時(shí)，這些金屬鏈會(huì)變成反鐵磁性半導(dǎo)體——這意味著非磁性金屬都可以變成沒有電阻的超導(dǎo)體。而當(dāng)它們被釋放時(shí)，它們將恢復(fù)到整齊的雙原子厚度的帶狀結(jié)構(gòu)。

    據(jù)預(yù)測(cè)，該材料的機(jī)械剛度可以與目前性能最好的納米材料媲美。它們可以作為迷你的恒力彈簧——一種不同常規(guī)的彈簧，在其拉伸范圍內(nèi)所需施加的力恒定（大多數(shù)彈簧拉伸越長，所需施加的力越大）。

    雖然這項(xiàng)工作還處于理論階段，但它并非不切實(shí)際。這些模擬工作是由萊斯大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的，其擅長對(duì)還不存在的材料進(jìn)行原子級(jí)別的計(jì)算機(jī)模擬。

    他們已有成績相當(dāng)不錯(cuò)。該團(tuán)隊(duì)之前已經(jīng)預(yù)測(cè)并模擬了稱為“硼吩”的二維硼薄膜的行為，其與石墨烯、碳鏈以及硼富勒烯等已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)室合成出的材料很相似。

    首席研究員Boris Yakobson說：“我們關(guān)于碳炔以及平面硼的工作使我們相信硼原子組成的一維長鏈?zhǔn)且环N可能實(shí)現(xiàn)的有趣結(jié)構(gòu)。”

    “我們想知道它是否穩(wěn)定以及具有什么性質(zhì)。這就是現(xiàn)代理論計(jì)算方法令人印象深刻的地方，因?yàn)槿藗兛梢詫?duì)還不存在的結(jié)構(gòu)做相當(dāng)現(xiàn)實(shí)的評(píng)估。”

    石墨烯是整層碳原子構(gòu)成的二維結(jié)構(gòu)，與之不同的是，萊斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)正在模擬的硼結(jié)構(gòu)只存在于一維方向上，由單原子鏈或雙原子帶組成。

    帶和鏈與其說是兩種不同的結(jié)構(gòu)，實(shí)際上更像是一維硼的兩種明確定義的相。

    這意味著當(dāng)一維硼被拉伸時(shí)，其從雙原子帶狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱卧渔?，然后隨著壓力的釋放又會(huì)再次轉(zhuǎn)變回來。

    你可以看到，在下面的模擬中一個(gè)64個(gè)原子的硼鏈就在發(fā)生這樣的轉(zhuǎn)變，它被拉伸到斷點(diǎn)：

    “硼與碳非常不同，”Yakobson說，“它喜歡形成兩排原子，就像用于橋梁構(gòu)造的桁架，這似乎是其最穩(wěn)定、能量最低的狀態(tài)。”

    “如果你拉它，它就開始伸展，其原子屈從于這個(gè)單原子線，如果你收回這個(gè)力，它就折疊回來，”他補(bǔ)充說，“從結(jié)構(gòu)上看這很有意思，同時(shí)它也改變了其電子性能。”

    很酷的是，這兩種狀態(tài)都有其獨(dú)特的性質(zhì)——單原子鏈?zhǔn)且粋€(gè)半導(dǎo)體，而雙原子帶是一種難以置信堅(jiān)硬的金屬，能抵抗形變。

    “這使其成為一個(gè)有趣的組合：當(dāng)你拉伸一半，你會(huì)得到一部分帶和一部分鏈。由于其中一種是金屬，另一種是半導(dǎo)體，其就成為一種一維、可調(diào)節(jié)的‘肖特基結(jié)’”Yakobson說。

    “肖特基結(jié)”是電子在金屬和半導(dǎo)體連接初的勢(shì)壘，并且通常用作二極管來控制電流，且僅允許其單向流動(dòng)。

    這種材料中原子的自旋也很有趣，當(dāng)被拉伸成單原子鏈時(shí)，原子的“上”或“下”自旋狀態(tài)的方向在相反的方向?qū)?zhǔn)，使其擁有反鐵磁性。

    研究人員目前對(duì)反鐵磁材料非常感興趣，特別是那些導(dǎo)電性也很好的材料，可用于自旋電子學(xué)的發(fā)展，將成為未來的高性能電子器件。

    目前我們還不知道這些一維硼鏈?zhǔn)欠窨梢源嬖?。但事?shí)上，預(yù)測(cè)到該材料具有這么棒的性質(zhì)，意味著科學(xué)家們很有可能盡最大努力在實(shí)驗(yàn)室合成它們。

    你永遠(yuǎn)不知道他們可能會(huì)在這個(gè)過程中偶然發(fā)現(xiàn)其他什么獨(dú)特的發(fā)現(xiàn)。“即使它們從來都不存在，它們?nèi)匀缓苤匾驗(yàn)槲覀冊(cè)谔剿魉械目赡埽?rdquo;雅各布森說。該研究已發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會(huì)雜志上。

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