Wissenschaftler schlagen eine Theorie der σ-Bindungsresonanz in flachen Bormaterialien vor

In letzter Zeit haben zweidimensionale (2D) Borschichten – Borophene – aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit Graphen großes Interesse bei Materialwissenschaftlern geweckt. Es fehlt jedoch noch das Verständnis dafür, wie das Material in der 2D-Form stabil sein kann, hauptsächlich aufgrund der einzigartigen elektronenarmen Natur von Bor.

In der Chemie gehorchen Atome in einem stabilen Material im Allgemeinen der Oktettregel. Ein Kohlenstoffatom teilt normalerweise 8 Elektronen, indem es 4 chemische Bindungen mit seinen Nachbarn bildet, insbesondere 3 σ- und 1 π-Bindungen für Kohlenstoffatome in Graphen. Während ein Boratom nur 3 Valenzelektronen hat, war seine Stabilität oder seine Bindungsstrategie, 8 Elektronen zu haben, ein langfristiges Rätsel in der Geschichte.

Das Konzept der Drei-Zentren-Zwei-Elektronen-Bindung (3c-2e) ermöglicht es uns zu verstehen, wie ein Boratom die Oktettregel in Bor-verwandten kleinen Molekülen wie Diboran (B2H6) erfüllt und den Nobelpreis für Chemie in erhielt 1976. Aber wie Boratome in komplizierten Bormaterialien wie Borophenen der Oktettregel gehorchen und stabil bleiben, entzieht sich noch unserer Kenntnis.

Darüber hinaus könnten in Kohlenstoffmaterialien wie Benzol Bindungsresonanz oder Aromatizität die Materialien weiter stabilisieren, indem die π-Elektronen aus der Ebene in einen größeren Bereich delokalisiert werden. Könnten wir die Theorie auf die 2D-Borschicht ausdehnen, um ihre dreieckige gitterbasierte Struktur und Stabilität zu erklären?

Wissenschaftler des Department of Materials Science and Engineering, and Mechanical Engineering des UNIST haben in Zusammenarbeit mit Forschern der Rice University, USA, und der Nankai University, China, eine neue Bindungstheorie vorgeschlagen, die das langfristige Rätsel löst, indem sie sowohl i) wie jedes Boratom in einem Borophen die Oktettregel basierend auf den einzigartigen 3c-2e-Bindungen erfüllt und ii) wie die Resonanz alternierender 3c-2e-σ-Bindungen das 2D-Faltblatt in seinem Dreiecksgitter weiter stabilisiert.

Interessanterweise führt diese Theorie in Analogie zur π-Resonanz in Kohlenstoffmaterialien eine neue Form der Resonanz ein, die die Delokalisierung von σ-Elektronen innerhalb der 2D-Ebene ermöglicht. In Kombination mit der π-Resonanz außerhalb der Ebene weist das dreieckige Borblatt tatsächlich eine elektronische Sandwichstruktur auf, die sowohl aus in der Ebene als auch außerhalb der Ebene delokalisierten Elektronen besteht.

Basierend auf der Theorie kann jeder die Bindungsstrukturen dieser neuen Bormaterialien zeichnen, wie das Zeichnen der Kekulé-Strukturen des Benzolmoleküls. Daher können Stabilität und Eigenschaften der Borophenmaterialien leicht verstanden werden, ohne komplizierte Quantenberechnungen durchzuführen.

Große Rätsel auf dem Gebiet, wie zum Beispiel, wie sechseckige Löcher das dreieckige Borgitter stabilisieren, warum neutrales Borophen mit einem Lochverhältnis von 1/9 energetisch am günstigsten ist und wie die Substratdotierung die Lochkonzentration in Borophen beeinflusst, werden zum ersten Mal gut erklärt. „Die Theorie enthüllt den Ursprung der einzigartigen Eigenschaften dieser flachen Bormaterialien und bietet daher einen Weg für die kontrollierte Synthese und das Design von Borophen, indem ihre Stabilität auf den Substraten vorhergesagt wird“, bemerkte der Erstautor der Studie, Dr. Lu Qiu .

Intuitives Verständnis von Bindungen in verschiedenen Molekülen und Materialien ist immer das Herzstück der Chemie. „Unsere Theorie liefert zum ersten Mal grundlegende und notwendige Elemente, um flache Bormaterialien zu untersuchen, ohne Quantenrechnungen durchzuführen“, sagt der entsprechende Autor der Studie, Prof. Feng Ding, „daher sind wir zuversichtlich, dass diese σ-Bindungsresonanz Theorie wird die Gemeinschaft weiter dazu anregen, das Design und die Synthese von Bor-verwandten Materialien zu beschleunigen, wie die Aromatizitätstheorie für Kohlenstoffmaterialien.

Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.