Bor obvykle nepatří mezi prvky, které se objevují v novinových titulcích. Přesto nyní upoutal pozornost vědců po celém světě. Mezinárodnímu týmu se podařilo připravit novou alotropickou modifikaci boru, která vykazuje překvapivě vysokou elektrickou vodivost a značnou pružnost, což jsou vlastnosti ne příliš běžné pro bor.
Alotropní modifikace jsou různé formy téhož prvku, které se liší uspořádáním atomů. Známým příkladem jsou diamant a grafit, dvě velmi odlišné formy uhlíku.
Nová forma boru je označována jako Imma-B60 a je tvořena ikosaedry B12, které jsou propojeny trojúhelníkem B3.[1,2] Příprava této látky probíhala ve dvou krocích, prvním byla syntéza sloučeniny Na4B60, tak je známá už 50 let.[3]
Příprava
Příprava prekurzoru probíhá za poměrně drsných podmínek, bor, sodík a zinek (zinek zde slouží jako tavidlo, jeho výhodou je, že se s borem prakticky nemísí) v poměru 1 : 4 : 2 byly umístěny do kelímku z hexagonálního nitridu boru (hBN) a vystaveny tlaku 3 GPa (téměř 30 000 násobek atmosférického tlaku) a teplotě 1500 °C po dobu 30 minut. Získané krystaly byly vyčištěny a nejkvalitnější byly podrobeny druhému kroku přípravy.
Bor je polokovový prvek a nejlehčí člen 13. skupiny periodické tabulky. V přírodě se nevyskytuje volný a jeho sloučeniny se používají například při výrobě skel, keramiky nebo detergentů. Některé izotopy boru se využívají i v jaderné technice.
Většina známých forem boru je velmi tvrdá a současně křehká. Nový materiál proto zpochybňuje dosavadní představy o tom, jaké vlastnosti mohou mít struktury založené na borových ikosaedrech.
Připravené krystaly pak byly ve vakuu zahřívány na teplotu 900 °C po dobu dvou dnů, tím došlo k vytěkání sodíku a sloučenina Na4B60 se přeměnila na čistý bor, ale s novou, exotickou strukturou.
Překvapivé vlastnosti alotropu Imma-B60
Největší pozornost vzbudily elektrické vlastnosti nového materiálu. Běžné formy boru jsou polovodiče s relativně širokým zakázaným pásem a jejich vodivost je velmi nízká. Imma-B60 má naopak zakázaný pás menší než 0,2 eV a při pokojové teplotě vykazuje vodivost přibližně 9×102 S·m-1. Přestože vodivost stále nedosahuje hodnot typických pro kovy, představuje u čistého boru mimořádně vysokou hodnotu. Jde o zlepšení o šest až sedm řádů oproti běžným alotropům boru, tedy až přibližně deset milionkrát vyšší vodivost. Přesto nejde o kov, ale o velmi úzkopásový polovodič, což může být zajímavé například pro budoucí elektronické nebo termoelektrické aplikace.
Ještě překvapivější jsou mechanické vlastnosti. Když se většina tvrdých krystalů stlačuje, po překročení určité meze jednoduše prasknou. Nanosloupky (nanopillars) z Imma-B60 však vydržely nejen elastickou deformaci, ale také přibližně 23 % plastické deformace, aniž by se rozlomily. Celkové stlačení dosáhlo asi 32 %. Mikroskopická pozorování ukázala, že atomové roviny po sobě mohou klouzat podobně jako u tvárnějších materiálů. Takové chování je u čistého kovalentního prvku velmi neobvyklé a zpochybňuje tradiční představu, že struktury založené na ikosaedrech B12 musí být nutně křehké.
Je samozřejmě příliš brzy očekávat, že se nový alotrop boru brzy objeví v mobilních telefonech nebo počítačích. Materiál vzniká za poměrně náročných laboratorních podmínek a zatím bylo připraveno jen malé množství mikrokrystalů. Přesto jde o významný objev základního výzkumu. Ukazuje, že i u zdánlivě dobře známých prvků lze nalézt zcela nové struktury s překvapivými vlastnostmi. Imma-B60 navíc otevírá cestu k návrhu dalších anorganických materiálů, které by dokázaly spojit mechanickou odolnost s dobrými elektronickými vlastnostmi. A právě takové kombinace vlastností často stojí za budoucími technologickými revolucemi.