تعیین ساختار یک ماده فریبنده دوبعدی بعد از ۸۳ سال

به گزارش آماج از تارنمای نانو ورک، تیمی از آزمایشگاه ایمز وابسته به ناسا در آمریکا با استفاده از روش‌های جدید ان ام آر (NMR) و ابزارهای تحلیلی که پیش از این در دسترس نبودند، سرانجام ساختار این ماده ساده و فریبنده را مشخص کردند.

آنها یافته‌های خود را در قالب مقاله‌ای با عنوان The Structure of Boron Monoxide در نشریه انجمن شیمی آمریکا (Journal of the American Chemical Society) منتشر کردند.

تعیین ساختار مونوکسید بور یک مشکل دیرینه بود که تاریخچه آن به سال ۱۹۴۰ بازمی‌گردد. حل این ساختار نیازمند توسعه روش‌های جدید ان ام آر و همچنین استفاده از پراش اشعه ایکس (XRD)، آنالیز ترموگراویمتری (TGA)، کالری‌سنجی اسکن تفاضلی (DSC)، اسکن اشعه ایکس، طیف سنجی فوتوالکترونی اشعه ایکس (XPS) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) بود.

فردریک پراس دانشمندی از آزمایشگاه ایمز و عضو این تیم تحقیقاتی گفت: ما در ابتدا واقعاً به دنبال مطالعه این ماده خاص نبودیم. در واقع تلاش می‌کردیم یک چارچوب آلی کووالانسی عاری از کربن بسازیم.

یک چهارچوب آلی کووالانسی، یک ماده با چگالی کم و متخلخل با ساختار کریستالی منظم است. چنین ساختاری، از مولکول‌های آلی تشکیل شده است که از طریق پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل شده‌اند.

ونیو هوانگ دانشمند دیگری از آزمایشگاه ایمز و عضو این تیم تحقیقاتی هم اظهار داشت: با این حال، پس از آزمایش‌های متعدد و سنتز فراوان، ما نتوانستیم یک ماده چارچوب آلی کووالانسی بسیار کریستالی به دست آوریم.

حل مشکل ساختار مونوکسید بور

این تیم در نهایت موادی بر پایه بور ساختند که به گفته فردریک پراس توصیف آن دشوار است. آنها از طریق تحقیقات خود به مقالاتی دست یافتند که انتشار آن به سال ۱۹۴۰ بازمی‌گردد، این مقالات حاوی توصیفاتی از واکنش دقیقی بود که این تیم روی آن کار می‌کرد و سنتز ماده‌ای به نام مونوکسید بور در آن تشریح شده بود. دانشمندان در سال های گذشته قادر به تعیین ساختار این ماده نبودند.

پراس از محققان این پروژه در این زمینه تاکید کرد: فناوری برای تحقیقات مواد از دهه ۱۹۴۰ پیشرفت کرده بود. به دلیل تخصص ما در طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای و توسعه روش‌های جدیدی که افراد دهه‌های ۴۰، ۵۰ و ۶۰ به آنها دسترسی نداشتند، فکر کردیم که ممکن است بتوانیم این معمای نزدیک به یک قرن را حل کنیم.

وی توضیح داد که مونوکسید بور با استفاده از یک مولکول پیش ساز ساخته می‌شود که مانند بلوک‌های سازنده عمل می‌کند. این مولکول‌ها از طریق واکنش‌های آب‌زدایی به هم می‌چسبند. کلید درک ساختار این است که بفهمیم بلوک‌ها چگونه از نظر فیزیکی چیده شده‌اند. بنابراین ما برخی از روش‌های NMR را توسعه دادیم که به ما امکان می‌دهد جهت‌گیری این بلوک های ساختمانی را نسبت به یکدیگر مطالعه کنیم. اساسا، ما متوجه شدیم که مولکول‌های پیش ساز مجاور به موازات یکدیگر سازماندهی می‌شوند که با یکی از مدل‌های پیشنهادی قبلی مطابقت دارد.

این محقق تصریح کرد: ما همچنین بسیاری از تکنیک‌های دیگر از جمله پراش پرتو ایکس پودری را به کار بردیم که نشان داد این نانوصفحات خود را به شکلی که آرایش توربواستراتیک نامیده می‌شود، سازماندهی می‌کنند.

پراس یادآور شد: این نانوصفحات روی هم مانند یک انبوه کاغذ هستند. هنگامی که فرود آمدند، کاملاً در یک راستا قرار نمی‌گیرند، اما در یک پشته باقی می‌مانند.

این دانشمند تاکید کرد: علاقه زیادی به سنتز مواد دوبعدی جدید مبتنی بر بور وجود دارد. درک ساختار آن می‌تواند منجر به سنتز سایر مواد مفید دو بعدی مبتنی بر بور شود. آنچه واقعاً مرا هیجان‌زده می‌کند، این واقعیت است که این مساله راز قدیمی بود که ما آن را حل کردیم. این ساختار، یک ماده اولیه است. وقتی فرمول شیمیایی را می‌نویسید، BO، مونوکسید بور است. بنابراین، از این منظر جالب است که ما در نهایت ساختار آن را پیدا کردیم.