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2017.10.02
石墨烯（Graphene）作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，被譽為本世紀最具有顛覆性的“新材料之王”，甚至被稱為材料界的“黑金”，享盡了科學界的贊譽和追捧。然而，最近有一種被人熟知的材料來“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，是因為石墨烯是人類發(fā)現(xiàn)的首個“二維”材料，它的厚度僅為一個原子，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，長期以來也受到了科學家們的關(guān)注，2014年，布朗大學的化學教授王來生證明了硼烯（Borophene）具有高度的穩(wěn)定性。2015年12月，美國阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）、中國南開大學、紐約州立大學石溪分校以及美國西北大學的科學家展開聯(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，有越來越多的實驗室在合成單原子厚度的硼烯方面取得了極大進展。
來自萊斯大學（Rice University）的理論物理學家鮑里斯·雅各布森（Boris Yakobson）則野心更大，他的目標直指一維硼材料，終于獲得了重大突破。近日，鮑里斯·雅各布森領(lǐng)導的研究團隊利用“第一性原理計算”（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）。
萊斯大學理論物理學家鮑里斯·雅各布森（右一）
這兩種形態(tài)之間存在由張力驅(qū)動的可逆相變。例如，金屬特征的硼帶經(jīng)過拉伸之后會轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁性的半導體硼鏈，當拉力釋放之后，硼鏈又能恢復成硼帶。模擬計算結(jié)果顯示，硼材料的這兩種一維形態(tài)均具有獨特的性質(zhì)，硼帶的機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)過張力校準之后，有望作為納米級恒力彈簧。
隨著拉力的變化，硼材料從帶狀變?yōu)殒湢?/a>
戰(zhàn)果赫赫的計算機模擬技術(shù)
雅各布森的實驗室還能對現(xiàn)實中可能尚不存在的材料進行原子級的模擬計算，這種對未知材料能量性質(zhì)的模擬及測試，能夠指導科研人員創(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)造出來之前，都是由萊斯大學研究團隊提前模擬和預測的。
雅各布森說：“即便一些結(jié)構(gòu)可能永遠也不會存在，這種模擬依然具有價值。因為我們在探索所有可能性的極限，就像探索最后尚未開拓的疆界?！?/a>
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，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?/span>
為了證明化學中神奇的力學現(xiàn)象，研究人員利用計算機模擬“拉動”64個原子長的桁架狀硼帶結(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”，當張力釋放后，硼原子鏈又利索的變回了帶狀結(jié)構(gòu)，過程如下圖所示：
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電子數(shù)的差異，導致了兩種材料的性質(zhì)非常不同，硼材料傾向于形成一個雙排原子結(jié)構(gòu)，就像橋梁建設中使用的桁架結(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，“硼材料傾向于形成一個雙排原子結(jié)構(gòu)，就像橋梁建設中使用的桁架結(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)換外同時還能改變硼材料的電化學性質(zhì)。
首先，一維帶狀硼材料稱得上是“真正的一維金屬材料”，對晶格畸變（皮爾斯畸變，Peierlsdistortion）具有很強的魯棒性。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：拉伸時由帶狀結(jié)構(gòu)變?yōu)殒湢罱Y(jié)構(gòu)；釋放拉力時，鏈狀結(jié)構(gòu)恢復為帶狀結(jié)構(gòu)。
其次，當硼原子形成鏈狀結(jié)構(gòu)時，具有應力可調(diào)的、寬帶隙的反鐵磁性半導體特性。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)與電傳導特性的耦合，或許是自旋電子學研究人員最感興趣的，有望通過操縱原子的自旋態(tài)創(chuàng)造高性能的電子器件。
“這將有可能變得非常有價值，因為這不是簡單的電荷傳輸，而是自旋態(tài)傳輸。這被認為是使用自旋電子學制作器件的一個重要方向。”雅各布森說。
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)則具有半導體特性，組合起來就形成一維可調(diào)肖特基結(jié)（Schottky junction）。肖特基結(jié)是一種簡單的金屬與半導體的交界面，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）”。舉個簡單的例子，對于機械彈簧來說，拉伸量越大，彈力就越大。但是對于一維硼結(jié)構(gòu)來說，每次將其完全拉伸需要等量的力。如果繼續(xù)拉伸，它就會斷裂，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)。
從機械結(jié)構(gòu)上來講，這是一種很好的性能，可以用于納米級傳感器，用來測量極其微小的力。
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