Struttura del monossido di boro trovata a sorpresa dopo 83 anni di ricerca

Laboratorio Nazionale Ames

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Non lo stavano cercando. Stavano solo cercando di scoprire nuovi materiali 2D.

Fu allora che un team di scienziati dell'Ames National Laboratory determinò di sorpresa la struttura del monossido di boro. Questo composto fu scoperto per la prima volta negli anni '40, ma gli scienziati non furono in grado di determinarne la struttura per 83 anni.

È quanto si legge in un comunicato stampa dell'organizzazione pubblicato martedì.

"All'inizio non avevamo intenzione di studiare questo particolare materiale", ha detto Frédéric Perras, uno scienziato dell'Ames Lab e membro del gruppo di ricerca.

“In realtà stavamo cercando di creare una struttura organica covalente priva di carbonio”.

"Tuttavia, dopo molte prove di sintesi, non siamo riusciti a ottenere un materiale organico covalente altamente cristallino", ha affermato Wenyu Huang, un altro scienziato dell'Ames Lab e membro del team.

I gruppi di Perras e Huang stavano esaminando questi materiali per applicazioni energetiche alternative.

Utilizzando nuovi metodi NMR e strumenti analitici precedentemente non disponibili, sono finalmente riusciti a scoprire la struttura del monossido di boro.

Gli scienziati hanno cercato di risolvere questo mistero sin dagli anni ’40.

"Grazie alla nostra esperienza nella spettroscopia di risonanza magnetica nucleare e allo sviluppo di nuovi metodi a cui le persone negli anni '40, '50 e '60 non avevano accesso, abbiamo pensato che avremmo potuto risolvere questo mistero vecchio di quasi un secolo. ", ha detto Perras.

Ciò che i ricercatori hanno scoperto è che il monossido di boro è prodotto utilizzando molecole precursori che si uniscono attraverso reazioni di disidratazione e agiscono come elementi costitutivi.

“Così abbiamo sviluppato alcuni metodi NMR che ci permettono di studiare l’orientamento di questi elementi costitutivi l’uno rispetto all’altro. Fondamentalmente, abbiamo scoperto che le molecole precursori adiacenti si organizzavano parallelamente l’una all’altra, il che corrispondeva a uno dei modelli proposti in precedenza”, ha detto Perras.

"Abbiamo anche applicato molte altre tecniche, inclusa la diffrazione di raggi X su polveri, che ha dimostrato che questi nanofogli si organizzano in quella che viene chiamata disposizione turbostratica", ha detto Perras.

Questi nanofogli impilati sono come una risma di carta gettata su una scrivania: quando atterrano non sono perfettamente allineati, ma rimangono impilati.

Ora, Perras spera che la comprensione di questa nuova struttura possa portare alla sintesi di altri utili materiali 2D a base di boro.

“Ciò che mi entusiasma davvero è proprio il fatto che questo è un vecchio problema. È un materiale così semplice; quando scrivi la formula chimica, è BO. Quindi, da questo punto di vista è interessante che abbiamo finalmente risolto la sua struttura", ha affermato Perras nella dichiarazione.

Lo studio è stato pubblicato sul Journal of American Chemical Society.

Astratto:

Il monossido di boro (BO), preparato dalla condensazione termica del tetraidrossidiboro, fu segnalato per la prima volta nel 1955; tuttavia, non è stato possibile determinarne la struttura. Con la recente attenzione sui materiali bidimensionali a base di boro, come il borofene e il nitruro di boro esagonale, c'è un rinnovato interesse per BO. Un gran numero di strutture BO stabili sono state identificate computazionalmente, ma nessuna è supportata da esperimenti. Il consenso è che il materiale probabilmente forma un materiale bidimensionale a base di borossina. Qui, applichiamo esperimenti NMR 11B avanzati per determinare gli orientamenti relativi dei centri B(B)O2 in BO. Troviamo che il materiale è composto da unità O2B–BO2 D2h-simmetriche che si organizzano per formare anelli B4O2 più grandi. Inoltre, gli esperimenti di diffrazione delle polveri rivelano inoltre che queste unità si organizzano per formare strati bidimensionali con uno schema di impilamento casuale. Questa osservazione è in accordo con i precedenti studi della teoria del funzionale della densità (DFT) che hanno dimostrato che le strutture basate su B4O2 sono le più stabili.