Boron gir gåter til forskere

Form av elementet oppdaget som faktisk ikke skulle eksistere

Ved trykk mellom 19 og 89 gigapascals danner boratomene negativt ladede icosahedra (lilla) og positivt ladede hantler (oransje). © ETH Zürich
lese høyt

Et forskerteam har funnet en form for elementet bor, som i følge læreboka ikke skal eksistere: en ionisk krystall. Forskerne rapporterer om funnene sine i den nåværende nettutgaven av vitenskapstidsskriftet "Nature".

Bor er et sjeldent halvmetall som brukes i sin krystallinske form på grunn av sin høye styrke og stivhet for helikopterrotorer, tennisracketere og golfklubber. Av alle elementene er bor den mest følsomme for urenheter. Allerede en prosent av fremmede atomer kan endre strukturen og egenskapene til bor. Denne følsomheten gjør det vanskelig å studere elementet.

Høyt trykk fører til ny form

Men teoretikere og eksperimentelle forskere har nå kommet et stort skritt videre: De har funnet en ny, superhard form for bor.

Syntesen av den nye formen krevde ekstremt rent bor.Materialet som ble brukt inneholdt maksimalt ett fremmed atom per million boratomer. Materialet ble utsatt for et trykk på tolv til 30 gigapascal og temperaturer over 1500 grader Celsius. Til sammenligning: For å lage en kunstig diamant av grafitt, trenger man et trykk på seks gigapascals.

Datasimuleringer bestemmer strukturer av kjemiske elementer

Hvis trykket er under 19 gigapascals, danner boratomene en krystallstruktur hvor tolv atomer hver er anordnet for å danne et icosahedron - et legeme som består av tjue like sidetrekanter. Imidlertid tvinger høyere trykk atomene til å innta en mer tett ordning. Hvilken struktur dette er, kunne ikke avklares eksperimentelt. utstilling

I løpet av sin tid ved Institutt for materialvitenskap i ETH Zurich utviklet krystallografen Artem Oganov en metode for å forutsi strukturen til kjemiske elementer ved hjelp av datasimuleringer. Beregningene hans viste at ved et trykk mellom 19 og 89 gigapascals danner boratomene to forskjellige former, såkalte nanoklusters. På den ene siden danner icosahedra tolv atomer, på den andre siden hantler av to atomer. De to nanoclusters er ordnet i krystallen, slik som natrium- og kloratomer i det vanlige saltet.

Super hard krystall

Ytterligere eksperimenter viste at den nye strukturen, som forskerne kaller gamma-B, er en superhard krystall. I tillegg oppdaget teoretikere en ekstraordinær egenskap ved materialet: Elementet i krystallen er ionisert, ladningene er således ujevnt fordelt mellom atomene. I følge læreboken vil ionisering sannsynligvis bare skje mellom to forskjellige elementer, for eksempel mellom natrium og klorid i saltvann. I den nyoppdagede borestrukturen skjer imidlertid ionisering mellom de to typene nanoklustere av samme element.

Andre elementer kan også anta ioniske tilstander

Oganov og kollegene hans beregnet videre at andre elementer - for eksempel visse karbonstrukturer - også kunne anta ioniske tilstander. Oganov, nå professor ved Stony Brook University i USA, forventer at før eller senere applikasjoner basert på ioniske elementer vil bli utviklet. For egenskapene til et element endres når det blir ionisk, for eksempel kan det bli infrarødabsorberende.

I følge forskerne ville det således tenkes et materiale som bare er delvis absorberende eller hvis absorpsjon avhenger av temperaturen. I tillegg kan interessante effekter oppstå i forbindelse med superledelse.

(idw - Swiss Federal Institute of Technology Z rich (ETH Zurich), 30.01.2009 - DLO)