石墨烯材料之王地位或遭動搖，硼「彈簧」橫空出世

石墨烯（Graphene）作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，被譽為本世紀最具有顛覆性的「新材料之王」，甚至被稱為材料界的「黑金」，享盡了科學界的讚譽和追捧。然而，最近有一種被人熟知的材料來「踢館」了——硼（boron）——石墨烯的「王者之座」恐將不保！

不同結構的石墨烯

之所以如此與眾不同，是因為石墨烯是人類發現的首個「二維」材料，它的厚度僅為一個原子，而在它之前，地球上所被發現的所有材料，都是三維。

硼作為原子序數比碳小1的元素，長期以來也受到了科學家們的關注，2014年，布朗大學的化學教授王來生證明了硼烯（Borophene）具有高度的穩定性。2015年12月，美國阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）、中國南開大學、紐約州立大學石溪分校以及美國西北大學的科學家展開聯合攻關，首次在超高真空環境下合成了這種硼元素組成的二維材料。自此之後，有越來越多的實驗室在合成單原子厚度的硼烯方面取得了極大進展。

來自萊斯大學（Rice University）的理論物理學家鮑里斯·雅各布森（Boris Yakobson）則野心更大，他的目標直指一維硼材料，終於獲得了重大突破。近日，鮑里斯·雅各布森領導的研究團隊利用「第一性原理計算」（first-principles calculations）的方法，模擬出硼材料一維形態的兩種同分異構體——雙排原子寬度的「硼帶」（ribbon），以及單原子寬度的「硼鏈」（chain）。

萊斯大學理論物理學家鮑里斯·雅各布森（右一）

這兩種形態之間存在由張力驅動的可逆相變。例如，金屬特徵的硼帶經過拉伸之後會轉變為反鐵磁性的半導體硼鏈，當拉力釋放之後，硼鏈又能恢復成硼帶。模擬計算結果顯示，硼材料的這兩種一維形態均具有獨特的性質，硼帶的機械剛性完全能與目前已知的高性能材料相媲美。此外，硼材料的這兩種結構轉化在經過張力校準之後，有望作為納米級恆力彈簧。

隨著拉力的變化，硼材料從帶狀變為鏈狀

戰果赫赫的計算機模擬技術

雅各布森的實驗室還能對現實中可能尚不存在的材料進行原子級的模擬計算，這種對未知材料能量性質的模擬及測試，能夠指導科研人員創造出真正的材料。例如，稱為碳炔（carbyne）的碳原子長鏈、硼富勒烯（boron fullerenes）以及二維硼烯（borophene），這些材料在被真正創造出來之前，都是由萊斯大學研究團隊提前模擬和預測的。

雅各布森說：「即便一些結構可能永遠也不會存在，這種模擬依然具有價值。因為我們在探索所有可能性的極限，就像探索最後尚未開拓的疆界。」

硼材料的一維結構存在兩種易於分辨的形式（或稱，相）——鏈狀和帶狀，並且兩相之間存在「可逆相變」（reversible phase transition）的關係，也就是說，一維硼材料能從帶狀變為鏈狀，並能從鏈狀可逆地回變為帶狀。

為了證明化學中神奇的力學現象，研究人員利用計算機模擬「拉動」64個原子長的桁架狀硼帶結構的末端，張力迫使硼原子重新排列成鏈狀結構。模擬中，研究人員保留了一小段的硼帶結構作為「種子」，當張力釋放後，硼原子鏈又利索的變回了帶狀結構，過程如下圖所示：

巨大的潛在用途

根據雅各布森的介紹，碳和硼兩種元素間的價電子數的差異，導致了兩種材料的性質非常不同，硼材料傾向於形成一個雙排原子結構，就像橋樑建設中使用的桁架結構。這似乎是硼元素最穩定、能量最低的狀態，不同於碳元素的正四面體（金剛石）等穩態結構。

「硼材料和碳材料非常不同，」雅各布森說，「硼材料傾向於形成一個雙排原子結構，就像橋樑建設中使用的桁架結構。這似乎是它最穩定、能量最低的狀態。」此外，結構的轉換外同時還能改變硼材料的電化學性質。

首先，一維帶狀硼材料稱得上是「真正的一維金屬材料」，對晶格畸變（皮爾斯畸變，Peierlsdistortion）具有很強的魯棒性。桁架狀的結構使得帶狀硼材料具備超高的剛性。

模擬過程顯示了一維硼材料在張力作用下發生的理論性材料相變：拉伸時由帶狀結構變為鏈狀結構；釋放拉力時，鏈狀結構恢復為帶狀結構。

其次，當硼原子形成鏈狀結構時，具有應力可調的、寬頻隙的反鐵磁性半導體特性。所謂反鐵磁性，指的是原子矩（原子「向上」或「向下」的自旋態）向相反的方向對齊。這種磁性狀態與電傳導特性的耦合，或許是自旋電子學研究人員最感興趣的，有望通過操縱原子的自旋態創造高性能的電子器件。

「這將有可能變得非常有價值，因為這不是簡單的電荷傳輸，而是自旋態傳輸。這被認為是使用自旋電子學製作器件的一個重要方向。」雅各布森說。

再次，如果只拉伸帶狀硼結構的一半，將獲得一半帶狀結構和一半鏈狀結構的組合。由於帶狀結構具有金屬性，鏈狀結構則具有半導體特性，組合起來就形成一維可調肖特基結（Schottky junction）。肖特基結是一種簡單的金屬與半導體的交界面，它與PN結相似，具有非線性阻抗特性，常用於二極體中控制電流單向流通。

此外，一維硼結構的彈性特徵也非常有趣。這種結構可以被看做是一種特殊的彈簧——恆力彈簧（constant-force spring）」。舉個簡單的例子，對於機械彈簧來說，拉伸量越大，彈力就越大。但是對於一維硼結構來說，每次將其完全拉伸需要等量的力。如果繼續拉伸，它就會斷裂，但如果釋放拉力，它將完全摺疊回原始狀態的帶狀結構。

從機械結構上來講，這是一種很好的性能，可以用於納米級感測器，用來測量極其微小的力。