研究人员发现了新的硼-镧系纳米结构

罗德岛普罗维登斯[布朗大学]——碳纳米结构的发现，如二维石墨烯和足球形状的巴克球，帮助发起了一场纳米技术革命。近年来，布朗大学(Brown University)和其他地方的研究人员已经证明，碳在周期表上的邻居硼也能制造出有趣的纳米结构，包括二维的硼酚和一种被称为硼pherene的巴克球状中空笼子结构。

现在，来自布朗大学和清华大学的研究人员又在名单上增加了另一种硼纳米结构。在一篇发表在《自然通讯》上的论文中，他们展示了由18个硼原子和3个镧系元素原子组成的簇状结构，这与他们所见过的任何结构都不一样。

“这不是你期望在化学中看到的一种结构，”布朗大学的化学教授、该研究的资深作者王来生说。“当我们写论文的时候，我们真的很难描述它。它基本上是一个球形三面体。通常你不能有一个只有三面的封闭三维结构，但因为它是球形的，所以它可以工作。”

研究人员希望这种纳米结构可以揭示硼镧系元素的体结构和化学键合行为，硼镧系元素是广泛应用于电子和其他领域的一类重要材料。研究人员说，纳米结构本身也可能具有有趣的特性。

“镧系元素是重要的磁性材料，每一种都有非常不同的磁矩，”王说。“我们认为任何镧系元素都会形成这种结构，所以它们可能具有非常有趣的磁性。”

王和他的学生通过将一束强大的激光聚焦在由硼和镧系元素混合而成的固体目标上，创造出了镧系硼簇。这些团簇是由蒸发的原子冷却而形成的。然后，他们使用一种叫做光电子能谱的技术来研究星团的电子特性。这项技术包括用另一种高能激光器轰击原子簇。每一次轰击都会将一个电子从团簇中击出。通过测量这些自由电子的动能，研究人员可以创建一个电子结合能的光谱，这些电子结合在一起。

“当我们看到一个简单而美丽的光谱时，我们知道它背后有一个美丽的结构，”王说。

为了弄清楚这种结构是什么样子，王将光电子谱与清华大学李俊教授及其学生所做的理论计算进行了比较。一旦他们找到了与实验相匹配的结合光谱的理论结构，他们就知道自己找到了正确的结构。

“这种结构是我们从未预料到的，”王说。“这就是理论计算与实验数据相结合的价值所在。”

王和他的同事们将这种新结构命名为金属-硼素，他们希望进一步的研究能够揭示它们的性质。

论文的其他共同作者有陈腾腾、李万璐、陈维佳、余小虎、董新然。本研究由国家自然科学基金(CHE-1763380)和国家自然科学基金(21590792、91426302、21433005)资助。