Récemment, les feuilles de bore bidimensionnelles (2D) – les borophènes – ont suscité un grand intérêt chez les scientifiques des matériaux en raison de leur similitude avec le graphène. Cependant, la compréhension de la façon dont le matériau peut être stable sous la forme 2D fait toujours défaut, principalement en raison de la nature unique du bore déficient en électrons.
En chimie, les atomes d’un matériau stable obéissent généralement à la règle de l’octet. Un atome de carbone partage généralement 8 électrons en formant 4 liaisons chimiques avec ses voisins, en particulier 3 liaisons σ et 1 π pour les atomes de carbone dans le graphène. Alors qu’un atome de bore n’a que 3 électrons de valence, sa stabilité, ou sa stratégie de liaison pour avoir 8 électrons, a été un mystère à long terme dans l’histoire.
Le concept de la liaison tricentrique à deux électrons (3c-2e) nous permet de comprendre comment un atome de bore satisfait la règle de l’octet dans les petites molécules liées au bore, telles que le diborane (B2H6), et a remporté le prix Nobel de chimie en 1976. Mais, comment les atomes de bore dans les matériaux de bore compliqués comme les borophènes obéissent à la règle de l’octet et restent stables, est encore au-delà de nos connaissances.
De plus, dans les matériaux carbonés comme le benzène, la résonance des liaisons ou l’aromaticité pourraient stabiliser davantage les matériaux en délocalisant les électrons π, hors du plan, vers une zone plus grande. Pourrions-nous étendre la théorie à la feuille de bore 2D pour expliquer sa structure et sa stabilité à base de réseau triangulaire ?
Des scientifiques du Département de science et génie des matériaux et de génie mécanique de l’UNIST, en coopération avec des chercheurs de l’Université Rice, aux États-Unis, et de l’Université Nankai, en Chine, ont proposé une nouvelle théorie des liaisons, qui résout le mystère à long terme en illustrant à la fois i) comment chaque atome de bore dans un borophène satisfait la règle de l’octet basée sur les liaisons 3c-2e uniques et ii) comment la résonance des liaisons alternées 3c-2e σ stabilise davantage la feuille 2D dans son réseau triangulaire.
Fait intéressant, cette théorie, par analogie avec la résonance π dans les matériaux carbonés, introduit une nouvelle forme de résonance, qui permet la délocalisation des électrons σ dans le plan 2D. En combinaison avec la résonance π hors du plan, la feuille de bore triangulaire présente en fait une structure électronique en sandwich, composée d’électrons délocalisés dans le plan et hors du plan.
Sur la base de la théorie, tout le monde peut dessiner les structures de liaison de ces nouveaux matériaux au bore, comme dessiner les structures Kekulé de la molécule de benzène. Par conséquent, la stabilité et les propriétés des matériaux borophènes peuvent être facilement comprises sans effectuer de calculs quantiques compliqués.
Les énigmes majeures dans le domaine, telles que la façon dont les trous hexagonaux stabilisent le réseau de bore triangulaire, pourquoi le borophène neutre avec un rapport de trous de 1/9 sont énergétiquement les plus favorables et comment le dopage du substrat affecte la concentration de trous dans le borophène, sont bien expliquées pour la première fois. « La théorie révèle l’origine des propriétés uniques de ces matériaux plats de bore, et offre donc une voie pour la synthèse et la conception contrôlées du borophène en prédisant leurs stabilités sur les substrats », a noté le premier auteur de l’étude, le Dr Lu Qiu. .
La compréhension intuitive de la liaison dans diverses molécules et matériaux est toujours au cœur de la chimie. « Notre théorie, pour la première fois, fournit des éléments fondamentaux et nécessaires pour étudier les matériaux de bore plats sans effectuer de calculs quantiques », déclare l’auteur correspondant de l’étude, le professeur Feng Ding, « ainsi, nous sommes convaincus que cette résonance de liaison σ La théorie stimulera davantage la communauté vers l’accélération de la conception et de la synthèse de matériaux liés au bore, comme la théorie de l’aromaticité pour les matériaux carbonés. »
Le travail est publié dans la revue Communication Nature.
Plus d’information:
Lu Qiu et al, Théorie de la résonance des liaisons sigma dans les matériaux de bore plats, Communication Nature (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-37442-8