石墨烯因其特殊的物理化學性質而廣受關注，現在科學家們通過計算機模擬發現了另一種性能甚至更好的材料——一維硼鏈，其機械強度可以與最好的納米材料相媲美，其被拉伸時會變成反鐵磁性半導體，而拉伸一半時則會形成類似二極管的結構。不過目前該材料還處于理論研究階段，尚未被合成出來。

    人們都愛石墨烯——這種僅有一個原子厚度的碳薄膜不僅特別柔軟，而且比鉆石更硬，比鋼更堅固，最近還成為了超導材料。然而它并不是唯一超出期望的納米材料，研究人員最近模擬出了一種可拉伸的一維硼鏈，據預測該材料甚至具有比石墨烯更好的性能。

    需要說明的是，迄今為止這種一維硼鏈還尚未被制備出來，目前對這種材料的研究還處于計算機模擬階段。

    但是實驗室中已經成功地合成了單層原子、富勒烯籠狀巴基球形式的硼，以及被稱為碳炔的單層原子碳鏈（如上圖所示）。因此，研究人員預測，一維單原子硼鏈遲早會成為現實。

    如果成真的話，我們將因此受益。因為模擬結果表明：一維硼鏈有一些非常不可思議的性質。例如，當它們被拉伸時，這些金屬鏈會變成反鐵磁性半導體——這意味著非磁性金屬都可以變成沒有電阻的超導體。而當它們被釋放時，它們將恢復到整齊的雙原子厚度的帶狀結構。

    據預測，該材料的機械剛度可以與目前性能最好的納米材料媲美。它們可以作為迷你的恒力彈簧——一種不同常規的彈簧，在其拉伸范圍內所需施加的力恒定（大多數彈簧拉伸越長，所需施加的力越大）。

    雖然這項工作還處于理論階段，但它并非不切實際。這些模擬工作是由萊斯大學的一個團隊進行的，其擅長對還不存在的材料進行原子級別的計算機模擬。

    他們已有成績相當不錯。該團隊之前已經預測并模擬了稱為“硼吩”的二維硼薄膜的行為，其與石墨烯、碳鏈以及硼富勒烯等已經被實驗室合成出的材料很相似。

    首席研究員Boris Yakobson說：“我們關于碳炔以及平面硼的工作使我們相信硼原子組成的一維長鏈是一種可能實現的有趣結構。”

    “我們想知道它是否穩定以及具有什么性質。這就是現代理論計算方法令人印象深刻的地方，因為人們可以對還不存在的結構做相當現實的評估。”

    石墨烯是整層碳原子構成的二維結構，與之不同的是，萊斯大學團隊正在模擬的硼結構只存在于一維方向上，由單原子鏈或雙原子帶組成。

    帶和鏈與其說是兩種不同的結構，實際上更像是一維硼的兩種明確定義的相。

    這意味著當一維硼被拉伸時，其從雙原子帶狀結構轉變為單原子鏈，然后隨著壓力的釋放又會再次轉變回來。

    你可以看到，在下面的模擬中一個64個原子的硼鏈就在發生這樣的轉變，它被拉伸到斷點：

    “硼與碳非常不同，”Yakobson說，“它喜歡形成兩排原子，就像用于橋梁構造的桁架，這似乎是其最穩定、能量最低的狀態。”

    “如果你拉它，它就開始伸展，其原子屈從于這個單原子線，如果你收回這個力，它就折疊回來，”他補充說，“從結構上看這很有意思，同時它也改變了其電子性能。”

    很酷的是，這兩種狀態都有其獨特的性質——單原子鏈是一個半導體，而雙原子帶是一種難以置信堅硬的金屬，能抵抗形變。

    “這使其成為一個有趣的組合：當你拉伸一半，你會得到一部分帶和一部分鏈。由于其中一種是金屬，另一種是半導體，其就成為一種一維、可調節的‘肖特基結’”Yakobson說。

    “肖特基結”是電子在金屬和半導體連接初的勢壘，并且通常用作二極管來控制電流，且僅允許其單向流動。

    這種材料中原子的自旋也很有趣，當被拉伸成單原子鏈時，原子的“上”或“下”自旋狀態的方向在相反的方向對準，使其擁有反鐵磁性。

    研究人員目前對反鐵磁材料非常感興趣，特別是那些導電性也很好的材料，可用于自旋電子學的發展，將成為未來的高性能電子器件。

    目前我們還不知道這些一維硼鏈是否可以存在。但事實上，預測到該材料具有這么棒的性質，意味著科學家們很有可能盡最大努力在實驗室合成它們。

    你永遠不知道他們可能會在這個過程中偶然發現其他什么獨特的發現。“即使它們從來都不存在，它們仍然很重要，因為我們在探索所有的可能，”雅各布森說。該研究已發表在美國化學學會雜志上。

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責任編輯：劉洋

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