Uus imematerjal: Fullereenide perre veeres kerakujuline borosfereen

“Bucky-keral” ehk 60 süsinikuaatomist koosneval jalgpallikujulise ehitusega buckminsterfullereenil (saanud nime disainer Buckminster Fulleri järgi) on uus mängukaaslane. USA Browni ülikooli ning Hiina Shanxi ja Tsinghua ülikoolide uurijatel on esmakordselt õnnestunud katseliselt vaadelda boori aatomitest moodustunud kera, mille olemasolu oli seni olnud puhtteoreetiline.

Pärast süsinik-fullereenkerade avastamist 1985. aastal hakkasid teadlased kohe spekuleerima, et ka teistel elementidel peale süsiniku peaks esinema seest õõnsa molekulaarstruktuuriga vorme, kusjuures boori peeti kõige tõenäolisemaks kandidaadiks moodustama kerajaid allotroope. Booril, mis paikneb elementide perioodilisustabelis kohe süsiniku kõrval, on oma naabriga võrreldes üks elektron vähem, mis tähendab, et booriaatomitest sõrestiku aatomite arv peab olema teistsugune kui süsinik-nanokeradel, vahendab Gizmag.

Browni ülikooli keemiaprofessoril Lai-Sheng Wangil oli varem õnnestunud koos oma töörühmaga moodustada ühe aatomi paksuseid, kuni 36 booriaatomist koosnevaid kettaid. See eksperiment demonstreeris, et boori aatomeid peaks olema võimalik “kokku traageldada” grafeeni-analoogiks, nn borofeeniks. Toonane töö andis mõista, et 40 booriaatomist koosnevad kobarad peaksid muude aatomihulkadega võrreldes olema ebatavaliselt stabiilsed.

Ülivõimsate superraalidega õnnestus prof Wangi kolleegidel mudeldada 40 omavahel ühendatud booriaatomi rohkem kui 10 000 võimalikku konfiguratsiooni. Lisaks struktuuride kuju prognoosimisele hindavad raalsimulatsioonid ka iga struktuuri elektronide sidumise jaoks eeldatavasti vajalikku energiahulka. Sel moel tuletatud sidumisenergiate spekter toimis iga potentsiaalset struktuuri eristava ainulaadse “sõrmejäljena”. 

Seejärel alustas töörühm katseid fotoelektron-spektroskoobiga, püüdes välja selgitada, kas laboris loodud boorikobaraid ühendavate energiate tasemed klapivad mõnega raalis loodud potentsiaalsetest struktuuridest. 

Selleks tulistati boorikamakaid laseritega, et moodustuks booriaatomite aur. Heeliumijoa abil jahutati aur seejärel tillukesteks aatomikobarateks, sõeluti 40 aatomist koosnevad kobarad kaalu alusel välja ja eraldati ning tulistati siis teise laseriga. Tolle laseri ülesandeks on lüüa mööda pikka toru lendavast kobarast üks elektron välja. Laserdatavate kobarate liikumiskiiruste mõõtmine võimaldaski välja selgitada elektronide sidumisenergiate spektrid konkreetsetes kobarates. 

Katsed näitasid, et 40 aatomist koosnevad kobarad moodustavad kaht tüüpi, selgesti eristuvate sidumisenergiaspektritega struktuure, mis sobitusid ka kahe raalmudeldamise teel loodud struktuuri spektritega. Esimene neist on osaliselt lameda kujuga molekul, teine aga fullereensüsiniku-taoline kerakujuline sõrestik, mille uurijad nimetasid borosfereeniks.

Kui süsinikfullereenimolekulid hõlmavad 20 süsinikuaatomitest kuuskülikut ja tosinat viiskülikut, mis üheskoos moodustavad suhteliselt sileda kerakujulise pinna, siis borosfereenimolekul koosneb 48 kolmnurgast, neljast seitsekülikust ja kahest kuuskülikust. Tulemuseks on süsinik-nanokerast veidi konarlikum struktuur, mille külgedest mõned aatomid välja turritavad. 

Uut molekuli kirjeldab töörühm uurimustöös, mis ilmus ajakirjas Nature Chemistry.