دانشمندان شکل جدیدی از بور ساختند؛ ماده‌ای انعطاف‌پذیر که ۱۰ میلیون برابر رساناتر است

پژوهشگران ساختار جدیدی از بور ساخته‌اند که علاوه بر تغییر شکل قابل‌توجه بدون شکست، در دمای اتاق ۱۰ میلیون برابر رساناتر است.

بور یکی از عناصر شناخته‌شده‌ی جدول تناوبی است که با وجود کاربردهای مهم در فناوری، سال‌ها مشکلی اساسی داشت: شکل‌های معمول بور بسیار سخت اما شکننده بودند و جریان برق را هم به‌خوبی عبور نمی‌دادند.

اکنون گروهی از پژوهشگران موفق شده‌اند شکل جدیدی از بور بسازند که برخلاف نمونه‌های قبلی، هم قابلیت تغییر شکل دارد و هم رسانایی الکتریکی بسیار بیشتری نشان می‌دهد. این ماده که Imma-B60 نام دارد، می‌تواند مسیر طراحی مواد جدید برای قطعات الکترونیکی و فناوری‌های پیشرفته را تغییر دهد.

بور پنجمین عنصر جدول تناوبی است و اتم‌های آن می‌توانند به شکل‌های مختلفی کنار هم قرار بگیرند. این ساختارهای متفاوت که «دگرشکل» یا «آلوتروپ» نامیده می‌شوند، باعث می‌شوند عنصر واحدی ویژگی‌های متفاوتی داشته باشد. برای مثال، کربن می‌تواند به شکل گرافیت نرم یا الماس بسیار سخت ظاهر شود. بور هم چندین دگرشکل مختلف دارد، اما بیشتر آن‌ها ویژگی مشابهی دارند: بسیار سخت هستند، در برابر فشار شکننده‌اند و رسانایی الکتریکی پایینی دارند.

بور به دلیل مجموعه‌ای از ویژگی‌های خاص، در حوزه‌های مختلف استفاده می‌شود. سختی بالا باعث شده برخی ترکیبات بور در مواد مقاوم کاربرد داشته باشند و توانایی جذب نوترون نیز این عنصر را به ماده‌ای مهم در فناوری‌های هسته‌ای و پژوهش‌های مرتبط با نوترون تبدیل کرده است. برخی ترکیبات بور هم به دلیل ویژگی‌های الکتریکی مناسب، در فناوری نیمه‌رساناها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

پژوهشگران با خارج کردن اتم‌های سدیم از ترکیب بورید سدیم، شکل کاملاً جدیدی از بور ساخته‌اند که پیش از این فقط در محاسبات نظری پیش‌بینی شده بود

اما برای بسیاری از کاربردهای پیشرفته، ماده‌ای لازم است که هم استحکام داشته باشد، هم بتواند کمی تغییر شکل دهد و هم برق را بهتر عبور دهد و ترکیب این ویژگی‌ها در بورهای معمولی وجود نداشت.

به گزارش فیز دات ارگ، پژوهشگران برای ساخت Imma-B60 از روشی دو مرحله‌ای استفاده کردند. آن‌ها ابتدا ترکیبی به نام بورید سدیم (Na4B60) ساختند که در آن اتم‌های سدیم مانند قالبی موقت در میان ساختارهای بور قرار گرفته بودند.

مشکل اینجا بود که تولید بلورهای باکیفیت از این ترکیب بسیار دشوار بود. برای حل این مشکل، پژوهشگران هنگام رشد بلورها از لایه‌های میانی روی استفاده کردند. این کار باعث شد بلورهای بزرگ‌تر و منظم‌تری شکل بگیرند.

در مرحله‌ی بعد، بلورها در کوره‌ی خلأ به مدت دو روز در دمای ۹۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد حرارت داده شدند. در این شرایط، اتم‌های سدیم به‌تدریج از ساختار خارج شدند و چارچوب باقی‌مانده از اتم‌های بور حفظ شد. نتیجه، شبکه‌ای کاملاً جدید از بور بود که پیش از این فقط در محاسبات نظری پیش‌بینی شده بود.

در بور معمولی، اتم‌ها معمولاً به‌صورت فشرده کنار هم قرار می‌گیرند. اما در Imma-B60، اتم‌های بور ساختاری باز و متخلخل ایجاد می‌کنند. این ساختار از بخش‌هایی شبیه قفس‌های ۱۲ اتمی بور تشکیل شده که با واحدهای سه‌اتمی به یکدیگر متصل شده‌اند. وجود فضای خالی در این شبکه به اتم‌ها اجازه می‌دهد هنگام وارد شدن فشار کمی جابه‌جا شوند، به جای اینکه مانند ساختارهای متراکم ناگهان بشکنند.

آزمایش‌ها نشان دادند ماده جدید می‌تواند بدون شکست حدود ۲۳ درصد تغییر شکل داشته باشد. در آزمایش‌های دیگر روی نمونه‌های بسیار کوچک‌تر، حتی تغییر شکل حدود ۳۲ درصد نیز ثبت شد. این درحالی است که بسیاری از مواد سخت و شکننده پیش از رسیدن به چنین میزان تغییر شکلی ترک می‌خورند.

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های Imma-B60 رسانایی الکتریکی آن است. مواد برای عبور جریان برق معمولاً به ساختار نواری الکترونی خود وابسته‌اند. در مواد عایق، فاصله‌ی انرژی میان نوارهای الکترونی زیاد است و حرکت الکترون‌ها دشوار می‌شود. این فاصله که «شکاف باند» نام دارد، در Imma-B60 کمتر از ۰٫۲ الکترون‌ولت است؛ در حالی که در بورهای معمولی معمولاً بیشتر از ۱٫۵ الکترون‌ولت است. به همین دلیل، Imma-B60 در دمای اتاق حدود ۱۰ میلیون برابر رساناتر از شکل رایج بور عمل می‌کند و رسانایی آن به حدود ۹۰۰ زیمنس بر متر می‌رسد.

برخلاف شکل‌های معمول بور، Imma-B60 می‌تواند فشار را تحمل کند و بدون شکستن تغییر شکل دهد

البته ماده یادشده هنوز رسانای فلزی کامل نیست، بلکه بیشتر شبیه نیمه‌رسانایی با رسانایی بالا رفتار می‌کند. تا پیش از این، ترکیب هم‌زمان انعطاف‌پذیری و رسانایی بالا در بور بیشتر ایده‌ای نظری بود. پژوهش جدید نشان می‌دهد می‌توان با تغییر ساختار اتمی یک عنصر، ویژگی‌هایی کاملاً متفاوت از شکل‌های شناخته‌شده‌ی آن ایجاد کرد.

Imma-B60 در مرحله‌ی پژوهشی قرار دارد و مشخص نیست چه زمانی بتوان از آن در محصولات واقعی استفاده کرد. اما این ماده نشان می‌دهد بور می‌تواند فراتر از نقش‌های سنتی خود در نیمه‌رساناها و فناوری‌های هسته‌ای، به‌عنوان پایه‌ای برای مواد سبک، مقاوم و رسانا مورد بررسی قرار گیرد.