ボロフェン–2D材料の開発における新しい章

2015年に初めて合成された、解剖学的に薄い結晶性の2Dボロフェンシートであるボロフェンは、すでに世界中の科学者の注目を集めています。 「新しい不思議な素材」と表現されています その独特の異方性の柔軟性と金属性により、バッテリー、センサー、触媒化学に革命を起こす可能性があります。 この記事では、ボロフェンの合成、特性、および潜在的な用途についてまとめています。

合成とプロパティ

グラフェンは単一の形態を取り、ボロフェンは多形であり、多くの格子構成を持つことができます。理論的には、それぞれが異なる特性を持つ1000を超える形態のボロフェンが存在する可能性があります。ボロフェンは、固体のホウ素原子源を使​​用して、超高真空条件下で国際的な科学者グループによって最初に合成されました。原子的に洗浄された銀基板を使用して、ボロフェンの成長のための明確で不活性な表面を提供しました。 その場で 電子的特性評価は、彼らが首尾よく製造したボロフェンの多形が金属であり、異方性の波形を有する平面構造を形成したという理論的予測を支持した。その起伏のある構造は、後にボロフェンの非常に小さな曲げ剛性（つまり、単位回転を生成するために必要なモーメント）と銀に対する反応性に起因していました。著者らは、生成されたボロフェンの電子的特性と機械的特性の両方が非常に異方性であることを実証しました。

最初の発見以来、超電導、機械的、電子的、およびボロフェンのさまざまな多形の光学的性質。ボロフェンは現在、金、銅、アルミニウムなど、さまざまな基板を使用して製造されています。自立型ボロフェンがスケーラブルなプロセスを使用して初めて合成された2019年に、大きな進歩がありました。

ボロフェンは強く、柔軟性があり、透明です 。熱と電気の両方の優れた導体であり、超伝導でもあります。いくつかの計算による予測によれば、ボロフェンはグラフェンよりも高い温度で超伝導に移行する可能性があります。第一原理計算は、ボロフェンのいくつかの多形体の超伝導転移温度が24.7Kと高くなる可能性があることを示しています。これは、計算で予測された8.1Kおよび実験的に観察されたグラフェンの7.4Kよりもはるかに高い値です。その機械的および電気的特性の異方性により、調整可能になります。これが、科学者やエンジニアがその潜在的な用途に興奮している理由の1つです。ボロフェンの原子構造を特徴づけて制御する方法を理解することは、望ましい特性を持つボロフェンを製品に組み込むために重要です。

多くの研究者がボロフェンのユニークな特性に興奮していますが、この材料の商品化には大きな障壁があります。 第一に、ボロフェンは化学反応性が比較的高いため、周囲温度での操作が難しい場合があります。少量でも製造は比較的難しいままです。多くの2D材料と同様に、ボロフェンは酸化しやすい傾向があります。これは一般的に不利であると考えられていますが、酸化を使用して構造の安定性を改善し、その特性を調整することができます。

ボロフェンの用途

ボロフェンのユニークな特性を利用する幅広いアプリケーションがすでに登場しています。例：

フレキシブルエレクトロニクス： 2D材料は、その優れた品質を利用するように設計された、縮小されたハイブリッド電子デバイスの開発を可能にする可能性があります。研究者は、ボロフェンがエラストマー基板に転写された場合、ボロフェンの異常な起伏のある構造が高い伸縮性を与えると信じています。言い換えれば、変形して元の形状に戻すことができるボロフェンを使用してデバイスを製造することが可能かもしれません。ボロフェンは導電性であるため、柔軟な電子デバイスに非常に適している可能性があります。研究者が直面する重要な課題の1つは、多くの2D材料と同様に、ボロフェンは外部環境に非常に敏感であり、これまで、電子デバイスで使用した場合、長期的な安定性と信頼性を示していないことです。 研究者は現在、電子デバイスの潜在的な故障モードを理解するために、2D材料の個々の原子の動きをキャプチャする新しいイメージング技術を開発しています。

バッテリー電極： リチウムイオン電池は、電力密度が高く、サイクル寿命が長いため、電子機器に広く普及しています。近年、ナトリウムイオン電池も、運用コストが低く、安全性が高いことから、ますます一般的になっています。 2D材料の独自の形態により、高速イオン拡散が可能になり、電極としての使用に適した候補になります。ボロフェンは、その高い貯蔵容量が非常に高い電力密度と電気化学的性能をもたらすため、リチウムイオンおよびナトリウムイオン電池用の非常に有望な電極材料です。最近の研究によると、ボロフェンの貯蔵容量は、これまでに調査されたすべての2D材料の中で最も高いものです。

触媒作用： 2D材料は、大きな表面積や新しい電子状態などの独自の特性により、触媒としての使用に大きな期待を寄せています。ボロフェンは、水素発生、酸素還元、二酸化炭素の電気化学的還元の触媒として使用できます。特に二酸化炭素の電気化学的還元は、気候変動への取り組みに貢献する上で大きな可能性を秘めています。しかし、安定した効率的な触媒が不足しているため、進歩は遅れています。

水素貯蔵： 水素は、どの燃料よりも質量あたりのエネルギーが最も高くなります。近年、水素貯蔵システムの研究は、エネルギー貯蔵の需要と水素および燃料電池技術の進歩に牽引されて、ますます普及してきています。ボロフェンは、ホウ素原子の質量が小さいこともあり、印象的な水素貯蔵能力を持っていることが示されています。水素分子のホウ素シートへの結合エネルギーは、グラフェンへの結合エネルギーよりも強力です。

ガスセンサー： ボロフェンのガス吸着特性により、エタノール、一酸化炭素、ホスゲン、ホルムアルデヒドなどのさまざまなガスのガス検知アプリケーションに適しています。 2D材料は、その独自の電子構造と大きな表面積対体積比により、ガスセンサーの開発に大きな可能性を示しています。

結論

2D材料の開発は、今日の材料研究における最もエキサイティングなフロンティアの1つです。グラフェンの合成からわずか10年余りの、計算に基づくボロフェンの合成は、新しい2D材料の開発の青写真と見なすことができます。 ボロフェンの開発には、製造プロセスのスケールアップなど、重要な技術的課題が残っていますが、その前例のない独自の品質により、フレキシブルエレクトロニクス、バッテリー、センサー技術の新たな地平が明らかになる可能性があります。