计算机模拟，遇见比石墨烯更好的一维硼链

材料牛注：石墨烯因其特殊的物理化学性质而广受关注，现在科学家们通过计算机模拟发现了另一种性能甚至更好的材料——一维硼链，其机械强度可以与最好的纳米材料相媲美，其被拉伸时会变成反铁磁性半导体，而拉伸一半时则会形成类似二极管的结构。不过目前该材料还处于理论研究阶段，尚未被合成出来。

人们都爱石墨烯——这种仅有一个原子厚度的碳薄膜不仅特别柔软，而且比钻石更硬，比钢更坚固，最近还成为了超导材料。然而它并不是唯一超出期望的纳米材料，研究人员最近模拟出了一种可拉伸的一维硼链，据预测该材料甚至具有比石墨烯更好的性能。

需要说明的是，迄今为止这种一维硼链还尚未被制备出来，目前对这种材料的研究还处于计算机模拟阶段。

但是实验室中已经成功地合成了单层原子、富勒烯笼状巴基球形式的硼，以及被称为碳炔的单层原子碳链（如上图所示）。因此，研究人员预测，一维单原子硼链迟早会成为现实。

如果成真的话，我们将因此受益。因为模拟结果表明：一维硼链有一些非常不可思议的性质。例如，当它们被拉伸时，这些金属链会变成反铁磁性半导体——这意味着非磁性金属都可以变成没有电阻的超导体。而当它们被释放时，它们将恢复到整齐的双原子厚度的带状结构。

据预测，该材料的机械刚度可以与目前性能最好的纳米材料媲美。它们可以作为迷你的恒力弹簧——一种不同常规的弹簧，在其拉伸范围内所需施加的力恒定（大多数弹簧拉伸越长，所需施加的力越大）。

虽然这项工作还处于理论阶段，但它并非不切实际。这些模拟工作是由莱斯大学的一个团队进行的，其擅长对还不存在的材料进行原子级别的计算机模拟。

他们已有成绩相当不错。该团队之前已经预测并模拟了称为“硼吩”的二维硼薄膜的行为，其与石墨烯、碳链以及硼富勒烯等已经被实验室合成出的材料很相似。

首席研究员Boris Yakobson说：“我们关于碳炔以及平面硼的工作使我们相信硼原子组成的一维长链是一种可能实现的有趣结构。”

“我们想知道它是否稳定以及具有什么性质。这就是现代理论计算方法令人印象深刻的地方，因为人们可以对还不存在的结构做相当现实的评估。”

石墨烯是整层碳原子构成的二维结构，与之不同的是，莱斯大学团队正在模拟的硼结构只存在于一维方向上，由单原子链或双原子带组成。

带和链与其说是两种不同的结构，实际上更像是一维硼的两种明确定义的相。

这意味着当一维硼被拉伸时，其从双原子带状结构转变为单原子链，然后随着压力的释放又会再次转变回来。

你可以看到，在下面的模拟中一个64个原子的硼链就在发生这样的转变，它被拉伸到断点：

“硼与碳非常不同，”Yakobson说，“它喜欢形成两排原子，就像用于桥梁构造的桁架，这似乎是其最稳定、能量最低的状态。”

“如果你拉它，它就开始伸展，其原子屈从于这个单原子线，如果你收回这个力，它就折叠回来，”他补充说，“从结构上看这很有意思，同时它也改变了其电子性能。”

很酷的是，这两种状态都有其独特的性质——单原子链是一个半导体，而双原子带是一种难以置信坚硬的金属，能抵抗形变。

“这使其成为一个有趣的组合：当你拉伸一半，你会得到一部分带和一部分链。由于其中一种是金属，另一种是半导体，其就成为一种一维、可调节的‘肖特基结’”Yakobson说。

“肖特基结”是电子在金属和半导体连接初的势垒，并且通常用作二极管来控制电流，且仅允许其单向流动。

这种材料中原子的自旋也很有趣，当被拉伸成单原子链时，原子的“上”或“下”自旋状态的方向在相反的方向对准，使其拥有反铁磁性。

研究人员目前对反铁磁材料非常感兴趣，特别是那些导电性也很好的材料，可用于自旋电子学的发展，将成为未来的高性能电子器件。

目前我们还不知道这些一维硼链是否可以存在。但事实上，预测到该材料具有这么棒的性质，意味着科学家们很有可能尽最大努力在实验室合成它们。

你永远不知道他们可能会在这个过程中偶然发现其他什么独特的发现。“即使它们从来都不存在，它们仍然很重要，因为我们在探索所有的可能，”雅各布森说。该研究已发表在美国化学学会杂志上。

标题：Scientists simulate a new material that could be even weirder than grapheme

文献链接：Mechanochemistry of One-Dimensional Boron: Structural and Electronic Transitions

本文由材料人编辑部丁菲菲提供素材，王晨编译， 黄超审核；点我加入材料人编辑部。

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