中國粉體網訊 隨著2004年石墨烯的問世，其作為單原子層二維材料第一次出現在人們的面前，很長一段時間以來，石墨烯風靡整個科學界，被譽為最具有顛覆性的“新材料之王”，甚至被成為材料界的“黑金”。
盡管石墨烯目前仍受到科學界與媒體的追捧，但不可否認的是，近年來，它在應用層面出現了一定的滯后。
（圖片來源于網絡）
與此同時，科學家將同樣的理念用在了“硼”上，制備出了新一代超級納米材料，它就是硼烯。硼烯被認為有著更廣闊的應用前景，會徹底改變能源、傳感器、催化劑等許多領域的面貌。今天我們就來了解一下硼烯的神秘之處。
它緊隨石墨烯而來
自石墨烯的誕生掀起了一場新型二維量子材料研究的熱潮。近年來，人們一直在努力探索碳元素之外的其他元素組成的單質二維材料，于是人們首先想到的最有可能擁有二維同素異形體的元素就是與碳同主族的硅、鍺等元素，因為這些元素與碳元素一樣，最外層都有4個電子。
2012年，人們在實驗上成功制備了單層硅烯，之后，鍺烯和錫烯也陸續在實驗室中得以實現。但令人驚訝的是，所有單質二維材料的結構都呈現不同程度的離面屈曲，與石墨烯的純平面結構有顯著差距。這些二維材料易被氧化，在空氣中不能穩定存在，因此較難被應用于器件。
這不得不令人思考：什么元素具有可比擬于碳的強成鍵能力？除碳之外是否還有其它可形成純平面二維材料的元素?
接下來研究者們便把目光瞄準了硼和氮這兩個碳元素的兩個最近鄰元素，在其單質或化合物中尋找類石墨烯的二維材料。硼在元素周期表中是碳的左“鄰居”，位于非金屬的碳和金屬的鈹之間。因此，硼呈現非金屬性的同時又兼具一定的金屬性，既可以形成常規的強共價鍵，又可形成一系列多中心化學鍵。由于成鍵能力和豐富程度勝于碳，硼具有上百種晶體結構，大部分含有12個硼原子組成的20面體的結構單元。同時，硼可與絕大部分元素形成穩定的化合物，且是設計超硬材料和金屬防腐層的重要選擇。
碳化學與硼化學的類似性
更讓意想不到的是，進入納米尺度，硼具有更奇特的行為：在小尺度下傾向以類似于苯環等有機分子的平面結構存在，尺度稍大后具有富勒烯般的籠狀結構；在特殊條件下甚至還形成納米管和薄膜結構。這些納米結構使得硼與碳在化學上具有驚人的類似性，這些發現直接促進了硼烯在理論設計及制備方面的發展。
誕生于計算機，而非實驗室
硼烯的一大奇特之處便是最早誕生于計算機，而非實驗室內。原來，自然界內并沒有發現硼烯的存在，而科學家在二十年前卻通過計算機模擬發現了硼烯存在的可能性，并對其性質進行預測。
2014年，南開大學物理學院周向鋒教授、王慧田教授和紐約州立大學石溪分校奧甘諾夫教授等基于進化算法結合第一性原理計算，預測了一個獨特的二維硼結構。
2015 年 12 月，美國阿貢國家實驗室、中國南開大學、紐約州立大學石溪分校以及美國西北大學的科學家展開聯合攻關，首次在超高真空環境下合成了硼元素組成的二維材料。
自此，超級納米材料硼烯誕生，石墨烯有了“兄弟”。
至堅、至柔、至韌
作為二維材料，硼烯有著許多奇特的性質。其中，最突出的是超高的強度和優異的柔性。
南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室張助華教授與美國萊斯大學材料科學與納米工程系講習教授Boris I. Yakobson合作，利用系統的第一性原理計算發現硼烯具有破紀錄的結構柔性、優異的面內彈性和良好的斷裂韌性。他們發現硼烯的抗彎剛度只有石墨烯的25%，是二硫化鉬的5%，單它的面內比模量可達到石墨烯的76%。硼烯因此具有所有二維材料中最高的福波-馮卡門參數，成為最易彎卻抗拉的材料。此外，硼烯的拉伸強度約為石墨烯的45%。
但最特別的是，硼烯在達到臨界強度之后結構并不像一般材料直接破壞，而是發生結構相變并重新恢復抗拉能力，使得它具有罕見的斷裂韌性。這是因為硼烯的多中心鍵特性導致材料在變形過程中化學鍵容易發生轉動，以致原子可以重組形成新的穩定晶格。硼烯的上述力學性質還可以通過控制其中的六邊形孔洞密度加以調制，而沒有孔洞的硼烯甚至比石墨烯還硬。
可以說，硼烯在力學上是集堅、柔、韌于一體的納米材料，克服了其它二維材料堅有余而韌不足的缺點。這些特性使得硼烯在復合材料設計、柔性電子器件、光控器件等方面具有應用前景。
此外，硼烯也是最輕的二維金屬，具備各向異性電導和金屬性，展現出獨特的機械、光學特性。而且，硼烯的這些特性都可由科學家們根據需要進行調控。硼烯的化學性質相對穩定，有助于克服硅烯、磷烯等二維材料易被氧化不穩定的缺點，這使得硼烯在納米器件方面擁有過人的應用潛質。
硼烯是如何生長出來的
1、化學氣相沉積
在理論研究的同時，大量早期實驗跟進并嘗試了多種方法制備硼納米結構，包括激光燒蝕、磁控濺射、乙硼烷熱解等非催化方法和金屬合金作為催化劑的CVD方法。合成主要產物有硼納米線，納米帶和晶須等，但均為無定形或體塊硼結構。2015年，南京航空航天大學臺國安課題組首次基于CVD方法在銅基底上合成了二維硼薄膜。他們將硼和硼氧化物粉末的混合物加熱，在1400 K下形成二氧二硼化物蒸氣，然后在1300 K下沉積在Cu箔上生長出二維硼薄膜 。然而，該實驗并沒有得到單原子層的硼烯。
盡管如此，CVD法仍是一種值得大力研究的方法，前提是保證開發合適的生長條件，如高純的硼源、恰當的生長溫度、和超平整的基底對硼烯的生長至關重要。
2、分子束外延
近年來，在理論指導和實驗的不懈努力下，有兩個獨立實驗分別在銀基底上成功合成了硼烯單層。中國科學院物理所吳克輝課題組 和美國西北大學與阿貢國家實驗室聯合課題組分別在超高真空條件下，在干凈的Ag(111)表面上通過沉積電子蒸發的高純度硼源成功制備出硼烯。吳克輝課題組還利用分子束外延技術在Al(111)表面上成功制備了這種蜂窩狀結構的硼烯。
3、高真空原子濺射
上面我們提到的美國阿貢國家實驗室、南開大學、紐約州立大學石溪分校和西北大學等研究單位共同合作制備出硼烯，便是利用高真空原子濺射的方法，首次在銀的表面成功“生長”出褶皺的單原子層硼烯。
廣闊的應用前景
相比于石墨烯，硼烯的強度更高，柔韌性更好，密度更輕，也更容易發生化學反應。除了是電和熱的良導體，硼烯還可以實現超導。而且，至少在原理上，硼烯的這些特性都是科學家們可以按需調控的。它們賦予了硼烯在以下領域廣闊的應用前景，并有可能在以下幾個領域實現徹底顛覆：
1、電池電極
由于硼元素比組成石墨的碳元素要輕，硼烯是目前已知最輕的二維材料。而且，硼烯有著很高的表面活性，也更容易發生化學反應，這使得硼烯很適合用來在電池里儲存金屬離子。因此，對于鋰電池、鈉電池、鎂電池來說，硼烯都是理想的電極材料，同等重量可以儲存多得多的電能。甚至于，對于有著極高能量密度的鋰硫電池，硼烯也有用武之地。
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2、儲氫
未來新能源汽車的發展，有著兩大路徑——電動汽車，和氫能源汽車。電動汽車的核心技術之一是高能量密度、功率密度和高安全性的電池，氫能源汽車則需要高效的儲氫技術。而硼烯，除了可以用于制造電池電極，也可以用來高效儲氫。
與金屬離子一樣，氫離子也很容易粘附在硼烯的單層原子結構上。研究顯示，由于硼烯有著巨大的表面積，它可以儲存相當于自身重量 15％以上的氫，儲氫容量顯著優于其他材料。
用于儲氫的硼烯/紫色為硼原子，黃色為鋰原子，綠色為氫原子。1 個鋰原子可以吸附多達 3 個氫分子。（來源：麻省理工科技評論）
3、超級電容
超級電容是可以快速完成充放電，且循環壽命可達數十萬次的儲電技術，功率密度是電池的 5-10 倍，被認為是用于公交車、有軌電車等交通工具的理想儲能元件。研究發現，幾層硼烯是非常好的超級電容材料。在很高的能量密度下，硼烯制成的超級電容可以實現極高的循環穩定性。
4、催化劑
硼烯還是最輕的析氫反應催化劑。硼烯可以把氫氣分解成氫離子、把水分解成氫氣和氧氣、以及還原二氧化碳。對于光催化制氫等領域來說，催化劑是其中最重要的一環。有了好的催化劑，它們就可以把燃燒的產物變回燃料，實現能源經濟的零碳循環。而硼烯，將有可能催生出一個水基能源循環的新時代。
硼烯可能有助于把水分解為氫氣和氧氣（來源：Wikipedia）
5、傳感器
由于可以與許多物質發生反應，硼烯被認為可以用于制造檢測乙醇、甲醛和氰化氫的傳感器。例如，當乙醇（也就是酒精）被硼烯吸收時，通過硼烯的電流會馬上出現大幅增長。硼烯對于一氧化碳、一氧化氮等有害氣體的吸收也要遠大于石墨烯。
目前面臨的問題
但是，上述所有的極具吸引力的應用前景，大多都是基于理論計算發現的性質，只有少數有實驗數據支持。即便已經有了實驗結果，也遠沒有達到可以大規模應用的程度。
與作為二維材料“前輩”的石墨烯一樣，硼烯在應用上也有著很大的阻礙。
其中，最要緊的就是硼烯的大規模制備。事實上，包括石墨烯在內，如今二維材料面臨的最大的問題之一，就是要如何廉價、高效地生產均一、無缺陷的二維單原子層。現有的技術，不是太貴，就是太耗時，無法投入大規模制備。這是石墨烯這么多年來面臨的問題，也將會是硼烯未來需要面對的難題。
對于硼烯來說，還有另一個致命的問題需要解決：不穩定性。上文我們提到，硼烯有著很高的反應活性。這給硼烯帶來了不少應用前景的同時，也讓其很容易在空氣中就被氧化，這給實際使用帶來了不小的挑戰。
總結
21 世紀注定是超級納米材料的發燒時代。化學新材料的降生，給工業制造帶來難以意料的驚喜。硼烯等有著獨特性質的二維材料的問世，對人類社會未來的影響極為神秘，也留下了大片有待填補的市場空白。二維材料的生產應用還處于高價、耗時、不穩定的階段，大規模制備仍是硼烯面臨的一大困境。高效、廉價的生產是未來需要解決的問題，硼烯大規模應用指日可待。
參考來源：
[1]王琴，薛珉敏，張助華.硼烯化學合成進展與展望
[2]程鵬，陳嵐，吳克輝.一種新型二維材料：硼烯
[3]周文俊.硼烯：未來氫能源電池材料霸主
[4]“新材料之王”易主之路：硼烯會是下一個石墨烯？. DeepTech深科技
（中國粉體網編輯整理/山川）
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