Odkrili fulerensko modifikacijo bora

Raziskovalci z Univerze Brown so prvi sintetizirali bor v obliki, ki je nadvse podobna ogljikovim fulerenom. Čeprav ne gre za prvi neogljikov fuleren, gre za najbolj soroden analog klasičnemu C₆₀.

Zgodba o C₆₀ je že dobro znana. Pred nekaj desetletji so bili prepričani, da obstaja zgolj dve alotropski modifikaciji ogljika - trden diamant in mazav grafit (pustimo vnemar eksotični heksagonalni diamant z asteroidov: lonsdaleit). Grafit je pri sobnih pogojih termodinamsko stabilnejši, a je hitrost pretvorbe tako počasna, da se dekletom ni treba bati, da bi njihovi prstani spremenili v grafit. Razumevanje se je povsem spremenilo leta 1985, ko so na Univerzi Rice pripravili prvo molekulo fulerena C₆₀. Medtem ko so v grafitu ogljikovi atomi zloženi v neskončne mreže šestkotnikov, med plastmi katerih vladajo šibke interakcije, in diamant sestavljajo ogljikovi atomi v tetraedrični razporeditvi, so fulereni drugačni. V C₆₀ je prav toliko ogljikovih atomov povezani v sferično obliko, ki je še najbolj podobna nogometni žogi. Poimenovali so jih po ameriškem arhitektu Buckminsterju Fullerju, ki si je zamišljal futuristične zgradbe s kupolami v podobni obliki.

Preselimo se v sedanjost in ogljikovih fulerenov kar mrgoli. Izkazalo se je, da ogljikovi atomi prav radi tvorijo različno upognjene mreže, iz katerih lahko nastanejo žoge, nanocevke in podobno. Malo nogometne matematike: vsako klasično nogometno žogo sestavljajo šestkotniki in petkotniki. Prvih je 20, slednjih 12. Zakaj je to tako, je topološko vprašanje, ki ima opraviti z Eulerjevo formulo in Gauss-Bonnetovim izrekom. Poenostavljeno povedano: s šestkotniki lahko tlakujemo ravnino in ne prispevajo k ukrivljenosti, petkotniki pa imajo pozitivno ukrivljenost. Tudi nanocevke bistveno večjih dimenzij imajo torej 12 petkovnikov, če so zaprte, in poljubno mnogo šestkotnikov.

Grafen neposredno v to zgodbo ne sodi, lahko pa ga omenimo, ker je najnovejša odkrita alotropska modifikacija ogljika. Gre za posamezne plasti grafita, ki imajo prečudovito lastnosti, če verjamemo raziskovalcem z Univerze v Manchestru, ki so ga iznašli.

In smo pri boru, ki je ogljikov sosed v periodnem sistemu. Kemijsko mu je torej do neke mere soroden, še zlasti če ga kombiniramo z ogljikovim sosedom z druge strani, tj. dušikom. Že zelo dolgo je znana spojina borazin, ki ga imenujemo tudi anorganski benzen. V njej so v enaki razporeditvi kot v benzenu izmenično borovi in dušikovi atomi, spojina pa izkazuje aromatičnost. Borov nitrid je drugi tak primer, in sicer lahko obstaja v heksagonalni obliki, ki je izostrukturna z grafitom, v kubični, kjer je podoben diamantu, in celo v wurtzitni, kjer je podoben lonsdaleitu. Pripravili so tudi nanocevke iz borovega nitrida.

Obnašanje borovega nitrida ni presenetljivo, saj ima enako elektronsko zgradbo kot ogljik. Povsem drugače pa je s samim borom, ki ima deficit elektronov za popolnitev okteta. Vseeno so teoretični računi teksaške Univerze Rice iz leta 2007 kazali, da bi morala obstajati stabilna modifikacija 80 borovih atomov. Letos so Kitajci izračunali, da bi lahko obstajal tudi analog fulerena iz 36 borovih atomov. In sedaj smo dobili prve otipljive rezultate, ki so - nekje vmes.

Prvi sintetizirani borovi fulereni imajo 40 atomov bora, ki so razporejeni v šestkotnike, sedemkotnike in trikotnike. Molekulo so poimenovali borosferen in zelo očitno ni enake oblike kot C₆₀. Pri iskanju borovih analogov fulerena so namreč naleteli na posebej obstojne skupke B₄₀, za katere se je izkazalo, da obstajajo v dveh oblikah: v klasični planarni in v fulerenski. Žal so ti malce reaktivnejši od ogljikovih analogov in se radi povežejo v verige, kar pa lahko ima tudi svoje prednosti - v članku obljubljajo shranjevanje vodika.

Poudarimo še, da bor ni edini fulerenski analog. Obstajajo tudi uranovi, silicijevi in večatomni, recimo iz molibdenovega disulfida in že omenjenega borovega nitrida. Kovine zato, kositer in svinec pa tvorijo manjše kletkaste strukture. Toda bor je največji in najbolj podoben ogljikovim.