Neue Bor-Lanthanid-Nanostruktur entdeckt
Neu entdeckter Nanocluster hat eine Geometrie, die "bisher in der Chemie nicht beobachtet wurde"
Die Entdeckung von Kohlenstoff-Nanostrukturen wie zweidimensionales Graphen und fussballförmige Buckybälle haben dazu beigetragen, eine nanotechnologische Revolution auszulösen. In den letzten Jahren haben Forscher der Brown University und anderer Universitäten gezeigt, dass Bor, der Nachbar des Kohlenstoffs im Periodensystem, ebenfalls interessante Nanostrukturen herstellen kann, darunter zweidimensionales Borophen und eine buckyballähnliche Hohlkäfigstruktur, die Borosphäre genannt wird.
Die Familie der Nanostrukturen auf Borbasis hat ein neues Mitglied: Metallo-Borospherene, Hohlkäfige aus 18 Boratomen und drei Atomen von Lanthanidenelementen.
Wang Lab / Brown University
Nun haben Forscher der Brown and Tsinghua University eine weitere Bor-Nanostruktur der Liste hinzugefügt. In einer in Nature Communications veröffentlichten Arbeit zeigen sie, dass Cluster aus 18 Boratomen und drei Atomen von Lanthanoidenelementen eine bizarre käfigartige Struktur bilden, wie sie sie noch nie gesehen haben.
"Das ist einfach nicht die Art von Struktur, die man in der Chemie erwartet", sagte Lai-Sheng Wang, Chemieprofessor an der Brown University und Seniorautor der Studie. "Als wir das Papier schrieben, hatten wir wirklich Mühe, es zu beschreiben. Es ist im Grunde ein sphärischer Dreiflächner. Normalerweise kann man keine geschlossene dreidimensionale Struktur mit nur drei Seiten haben, aber da sie kugelförmig ist, funktioniert sie.
Die Forscher hoffen, dass die Nanostruktur Licht auf die Bulk-Struktur und das chemische Bindungsverhalten von Bor-Lanthaniden werfen kann, einer wichtigen Materialklasse, die in der Elektronik und anderen Anwendungen weit verbreitet ist. Die Nanostruktur an sich könnte auch interessante Eigenschaften haben, sagen die Forscher.
"Lanthanidenelemente sind wichtige magnetische Materialien, jedes mit sehr unterschiedlichen magnetischen Momenten", sagte Wang. "Wir glauben, dass jedes der Lanthanoide diese Struktur erzeugen wird, so dass sie sehr interessante magnetische Eigenschaften haben könnten".
Wang und seine Studenten schufen die Lanthanid-Bor-Cluster, indem sie einen leistungsstarken Laser auf ein festes Ziel fokussierten, das aus einer Mischung aus Bor und einem Lanthanid-Element besteht. Die Cluster entstehen beim Abkühlen der verdampften Atome. Dann verwendeten sie eine Technik namens Photoelektronenspektroskopie, um die elektronischen Eigenschaften der Cluster zu untersuchen. Bei dieser Technik werden die Atomcluster mit einem anderen Hochleistungslaser gezappt. Bei jedem Zappen wird ein Elektron aus dem Cluster herausgeschlagen. Durch Messung der kinetischen Energien dieser freigesetzten Elektronen können die Forscher ein Spektrum von Bindungsenergien für die Elektronen erzeugen, die den Cluster miteinander verbinden.
"Wenn wir ein einfaches, schönes Spektrum sehen, wissen wir, dass sich dahinter eine schöne Struktur verbirgt", sagte Wang.
Um herauszufinden, wie diese Struktur aussieht, verglich Wang die Photoelektronenspektren mit theoretischen Berechnungen von Professor Jun Li und seinen Studenten aus Tsinghua. Sobald sie eine theoretische Struktur mit einem Bindungsspektrum gefunden haben, das mit dem Experiment übereinstimmt, wissen sie, dass sie die richtige Struktur gefunden haben.
"Diese Struktur war etwas, das wir nie vorhergesagt hätten", sagte Wang. "Das ist der Wert der Kombination von theoretischer Berechnung und experimentellen Daten."
Wang und seine Kollegen haben die neuen Strukturen als Metallo-Borospherene bezeichnet, und sie hoffen, dass weitere Forschungen ihre Eigenschaften aufdecken werden.
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