بور، یکی از عناصر معروف جدول تناوبی، با وجود کاربردهای کلیدی‌اش در فناوری، سال‌ها با یک مشکل اساسی دست و پنجه نرم می‌کرد: شکل‌های معمول این عنصر بسیار سخت اما شکننده بودند و توانایی عبور جریان برق را به خوبی نداشتند. اما حالا گروهی از محققان موفق به تولید یک شکل جدید از بور شده‌اند که برخلاف نمونه‌های قبلی، هم قابلیت تغییر شکل دارد و هم رسانایی الکتریکی بسیار بیشتری را نشان می‌دهد. این ماده جدید که Imma-B60 نام دارد، می‌تواند به تغییر مسیر طراحی مواد جدید برای قطعات الکترونیکی و فناوری‌های پیشرفته کمک کند.
ویژگی‌های جدید بور
بور پنجمین عنصر جدول تناوبی است و اتم‌های آن می‌توانند به شکل‌های مختلفی کنار هم قرار بگیرند. این ساختارهای متفاوت که به آن‌ها «دگرشکل» یا «آلوتروپ» می‌گویند، باعث می‌شوند که یک عنصر واحد ویژگی‌های متفاوتی داشته باشد. به عنوان مثال، کربن می‌تواند به شکل گرافیت نرم یا الماس بسیار سخت وجود داشته باشد. بور نیز چندین دگرشکل مختلف دارد، اما اکثر آن‌ها ویژگی‌های مشابهی دارند: بسیار سخت، شکننده در برابر فشار و با رسانایی الکتریکی پایین.
کاربردهای بور در فناوری
به دلیل ویژگی‌های خاصش، بور در زمینه‌های مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرد. سختی بالای برخی ترکیبات بور باعث شده که در مواد مقاوم کاربرد داشته باشند و توانایی جذب نوترون نیز این عنصر را به ماده‌ای حیاتی در فناوری‌های هسته‌ای و پژوهش‌های مرتبط با نوترون تبدیل کرده است. همچنین، برخی ترکیبات بور به دلیل ویژگی‌های الکتریکی مناسب، در فناوری نیمه‌رساناها به کار می‌روند.
ساخت Imma-B60
محققان با خارج کردن اتم‌های سدیم از ترکیب بورید سدیم، موفق به ایجاد یک شکل کاملاً جدید از بور شده‌اند که پیش از این تنها در محاسبات نظری پیش‌بینی شده بود. برای بسیاری از کاربردهای پیشرفته، ماده‌ای لازم است که هم استحکام داشته باشد، هم قابلیت تغییر شکل و هم رسانایی بالایی داشته باشد، و ترکیب این ویژگی‌ها در بورهای معمولی وجود نداشت.
به گزارش خبرنگار پایگاه خبری، برای ساخت Imma-B60، محققان از یک روش دو مرحله‌ای استفاده کردند. در مرحله اول، آن‌ها ترکیبی به نام بورید سدیم (Na4B60) تولید کردند که در آن اتم‌های سدیم به عنوان قالب موقت در میان ساختارهای بور قرار داشتند. تولید بلورهای باکیفیت از این ترکیب چالش‌برانگیز بود، بنابراین محققان برای حل این مشکل، هنگام رشد بلورها از لایه‌های میانی روی استفاده کردند که منجر به شکل‌گیری بلورهای بزرگ‌تر و منظم‌تر شد.
فرآیند حرارت‌دهی
در مرحله بعد، بلورها به مدت دو روز در کوره‌ی خلأ در دمای ۹۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد حرارت داده شدند. در این شرایط، اتم‌های سدیم به تدریج از ساختار خارج شدند و چارچوب باقی‌مانده از اتم‌های بور حفظ شد. نتیجه، شبکه‌ای کاملاً جدید از بور بود که پیش از این تنها در محاسبات نظری پیش‌بینی شده بود.
ساختار و ویژگی‌های Imma-B60
در بورهای معمولی، اتم‌ها معمولاً به صورت 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 کوچک‌تر، حتی تغییر شکل حدود ۳۲ درصد نیز ثبت شد. این در حالی است که بسیاری از مواد سخت و شکننده پیش از رسیدن به چنین میزان تغییر شکلی ترک می‌خورند.
رسانایی الکتریکی Imma-B60
یکی از ویژگی‌های کلیدی 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 این ماده هنوز رسانای فلزی کامل نیست، بلکه بیشتر شبیه نیمه‌رسانایی با رسانایی بالا رفتار می‌کند. پیش از این، ترکیب هم‌زمان انعطاف‌پذیری و رسانایی بالا در بور بیشتر یک ایده 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 حال حاضر در مرحله‌ی پژوهشی قرار دارد و هنوز مشخص نیست چه زمانی می‌توان از آن در محصولات واقعی استفاده کرد. اما این ماده نشان می‌دهد که بور می‌تواند فراتر از نقش‌های سنتی خود در نیمه‌رساناها و فناوری‌های هسته‌ای، به عنوان پایه‌ای برای مواد سبک، مقاوم و رسانا مورد بررسی قرار گیرد.
پژوهش در ژورنال Nature Chemistry منتشر شده است.
سوالات متداول
بور چیست و چه کاربردهایی دارد؟
بور یک عنصر شیمیایی است که در فناوری‌های مختلف به دلیل سختی و ویژگی‌های خاصش مورد استفاده قرار می‌گیرد.
چه ویژگی‌هایی در Imma-B60 وجود دارد؟
Imma-B60 قابلیت تغییر شکل و رسانایی الکتریکی بالایی دارد که آن را از سایر اشکال بور متمایز می‌کند.
چگونه Imma-B60 ساخته شده است؟
این ماده از طریق خارج کردن اتم‌های سدیم از ترکیب بورید سدیم و حرارت‌دهی به بلورها تولید شده است.
رسانایی الکتریکی Imma-B60 چقدر است؟
رسانایی الکتریکی Imma-B60 در دمای اتاق حدود ۹۰۰ زیمنس بر متر است که بسیار بالاتر از بورهای معمولی است.
آیا Imma-B60 در حال حاضر قابل استفاده است؟
خیر، Imma-B60 هنوز در مرحله پژوهشی قرار دارد و زمان استفاده از آن در محصولات واقعی مشخص نیست.
