Wetenschappers stellen een theorie voor van σ-bindingsresonantie in platte boormaterialen

Onlangs hebben tweedimensionale (2D) boorplaten – borophenes – grote belangstelling getrokken van materiaalwetenschappers vanwege hun gelijkenis met grafeen. Het ontbreekt echter nog steeds aan inzicht in hoe het materiaal stabiel kan zijn in de 2D-vorm, voornamelijk vanwege de unieke elektronendeficiënte aard van boor.

In de chemie volgen atomen in een stabiel materiaal over het algemeen de octetregel. Een koolstofatoom deelt gewoonlijk 8 elektronen door 4 chemische bindingen te vormen met zijn buren, met name 3 σ- en 1 π-bindingen voor koolstofatomen in grafeen. Hoewel een booratoom slechts 3 valentie-elektronen heeft, is zijn stabiliteit, of zijn bindingsstrategie om 8 elektronen te hebben, een langdurig mysterie in de geschiedenis geweest.

Het concept van de drie-center twee-elektronen (3c-2e) binding stelt ons in staat te begrijpen hoe een booratoom voldoet aan de octetregel in boorgerelateerde kleine moleculen, zoals diboraan (B₂H₆), en won de Nobelprijs voor scheikunde in 1976. Maar hoe booratomen in gecompliceerde boormaterialen zoals borophenes de octetregel gehoorzamen en stabiel blijven, is nog steeds buiten onze kennis.

Bovendien zouden in koolstofmaterialen zoals benzeen bindingsresonantie of aromaticiteit de materialen verder kunnen stabiliseren door de π-elektronen uit het vlak naar een groter gebied te verplaatsen. Kunnen we de theorie uitbreiden naar de 2D-boriumplaat om de driehoekige roostergebaseerde structuur en stabiliteit te verklaren?

Wetenschappers van het Department of Materials Science and Engineering, en Mechanical Engineering van UNIST, hebben in samenwerking met onderzoekers van Rice University, VS, en Nankai University, China, een nieuwe bindingstheorie voorgesteld, die het langetermijnmysterie oplost door beide te illustreren: i) hoe elk booratoom in een borofeen voldoet aan de octetregel op basis van de unieke 3c-2e-bindingen en ii) hoe de resonantie van afwisselende 3c-2e σ-bindingen het 2D-vel in zijn driehoekige rooster verder stabiliseert.

Interessant is dat deze theorie, in analogie met π-resonantie in koolstofmaterialen, een nieuwe vorm van resonantie introduceert, die de delokalisatie van σ-elektronen binnen het 2D-vlak mogelijk maakt. In combinatie met de π-resonantie buiten het vlak, vertoont de driehoekige boorplaat in feite een sandwich-elektronische structuur, die bestaat uit zowel in het vlak als buiten het vlak gedelokaliseerde elektronen.

Op basis van de theorie kan iedereen de bindingsstructuren van deze nieuwe boormaterialen tekenen, zoals het tekenen van de Kekulé-structuren van het benzeenmolecuul. Daarom kunnen de stabiliteit en eigenschappen van de borofeenmaterialen gemakkelijk worden begrepen zonder ingewikkelde kwantumberekeningen uit te voeren.

Grote puzzels in het veld, zoals hoe zeshoekige gaten het driehoekige boorrooster stabiliseren, waarom neutraal borofeen met een verhouding van 1/9 gaten energetisch het meest gunstig is, en hoe substraatdoping de gatenconcentratie in borofeen beïnvloedt, worden voor het eerst goed verklaard. “De theorie onthult de oorsprong van de unieke eigenschappen van deze platte boormaterialen en biedt daarom een ​​weg voor de gecontroleerde synthese en het ontwerp van borofeen door hun stabiliteit op de substraten te voorspellen”, merkte de eerste auteur van de studie, Dr. Lu Qiu, op. .

Intuïtief begrip van binding in verschillende moleculen en materialen is altijd de kern van de chemie. “Onze theorie biedt voor het eerst fundamentele en noodzakelijke elementen voor het bestuderen van platte boormaterialen zonder kwantumberekeningen uit te voeren”, zegt de overeenkomstige auteur van de studie, prof. Feng Ding, “dus zijn we ervan overtuigd dat deze σ-bindingsresonantie theorie zal de gemeenschap verder stimuleren om het ontwerp en de synthese van boorgerelateerde materialen te versnellen, zoals de aromaticiteitstheorie voor koolstofmaterialen.”

Het werk wordt gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie.