La structure du monoxyde de bore découverte par surprise après 83 ans de recherche

Laboratoire national Ames

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Ils ne le cherchaient pas. Ils essayaient simplement de découvrir de nouveaux matériaux 2D.

C’est alors qu’une équipe de scientifiques du laboratoire national Ames a déterminé par surprise la structure du monoxyde de bore. Ce composé a été découvert pour la première fois dans les années 1940, mais les scientifiques n’ont pas pu déterminer sa structure avant 83 ans.

C’est ce que révèle un communiqué de l’organisation publié mardi.

«Au départ, nous n'envisagions pas vraiment d'étudier ce matériau en particulier», a déclaré Frédéric Perras, scientifique du laboratoire Ames et membre de l'équipe de recherche.

"Nous essayions en fait de créer un cadre organique covalent sans carbone."

"Cependant, après de nombreux essais de synthèse, nous n'avons pas pu obtenir un matériau de structure organique covalent hautement cristallin", a déclaré Wenyu Huang, un autre scientifique du laboratoire Ames et membre de l'équipe.

Les groupes de Perras et Huang étudiaient ces matériaux pour des applications énergétiques alternatives.

En utilisant de nouvelles méthodes RMN et des outils d’analyse auparavant indisponibles, ils sont finalement tombés sur la structure du monoxyde de bore.

Les scientifiques tentent de résoudre ce mystère depuis les années 1940.

« Grâce à notre expertise en spectroscopie de résonance magnétique nucléaire et au développement de nouvelles méthodes auxquelles les gens des années 40, 50 et 60 n'avaient pas accès, nous avons pensé que nous pourrions peut-être mettre fin à ce mystère vieux de près d'un siècle. », a déclaré Perras.

Les chercheurs ont découvert que le monoxyde de bore est fabriqué à partir de molécules précurseurs qui se collent les unes aux autres par des réactions de déshydratation et agissent comme des éléments constitutifs.

« Nous avons donc développé des méthodes RMN qui nous permettent d’étudier l’orientation de ces éléments constitutifs les uns par rapport aux autres. Fondamentalement, nous avons constaté que les molécules précurseurs adjacentes s’organisaient parallèlement les unes aux autres, ce qui correspondait à l’un des modèles proposés précédemment », a déclaré Perras.

"Nous avons également appliqué de nombreuses autres techniques, notamment la diffraction des rayons X sur poudre, qui ont montré que ces nanofeuillets s'organisaient selon ce qu'on appelle un arrangement turbostratique", a expliqué Perras.

Ces nanofeuilles empilées sont comme une pile de papier jetée sur un bureau : lors de leur atterrissage, elles ne sont pas parfaitement alignées, mais elles restent en pile.

Perras espère désormais que la compréhension de cette nouvelle structure pourrait conduire à la synthèse d’autres matériaux 2D utiles à base de bore.

« Ce qui me passionne vraiment, c’est simplement le fait qu’il s’agit d’un vieux problème. C'est un matériau tellement basique ; quand tu écris la formule chimique, c'est BO. Il est donc intéressant de ce point de vue que nous ayons finalement résolu sa structure », a déclaré Perras dans le communiqué.

L'étude a été publiée dans le Journal de l'American Chemical Society.

Abstrait:

Le monoxyde de bore (BO), préparé par condensation thermique du tétrahydroxydibore, a été signalé pour la première fois en 1955 ; cependant, sa structure n'a pas pu être déterminée. Avec l’attention récente portée aux matériaux bidimensionnels à base de bore, tels que le borophène et le nitrure de bore hexagonal, le BO suscite un regain d’intérêt. Un grand nombre de structures BO stables ont été identifiées par calcul, mais aucune n'est étayée par des expériences. Le consensus est que le matériau forme probablement un matériau bidimensionnel à base de boroxine. Ici, nous appliquons des expériences avancées de RMN 11B pour déterminer les orientations relatives des centres B(B)O2 dans BO. Nous constatons que le matériau est composé d’unités O2B – BO2 symétriques D2h qui s’organisent pour former des anneaux B4O2 plus grands. De plus, des expériences de diffraction de poudre révèlent en outre que ces unités s’organisent pour former des couches bidimensionnelles avec un motif d’empilement aléatoire. Cette observation est en accord avec des études antérieures de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) qui montraient que les structures à base de B4O2 étaient les plus stables.