در تلاش برای کشف مواد دو بعدی جدید، تیمی از دانشمندان از آزمایشگاه ملی ایمز ساختار مونوکسید بور را تعیین کردند. این ترکیب برای اولین بار در دهه ۱۹۴۰ کشف شد و در طول سال‌ها علاقه تحقیقاتی بسیاری را به خود جلب کرده بود. با این حال، دانشمندان به دلیل محدودیت‌های تکنولوژیکی قادر به تعیین ساختار این ماده نبودند.
تعیین ساختار یک ماده لایه‌ای، بعد از ۸۳ سال!
تیمی از آزمایشگاه ایمز با استفاده از روش‌های جدید NMR و ابزارهای تحلیلی که قبلاً در دسترس نبودند، سرانجام ساختار این ماده ساده و فریبنده را مشخص کردند.
آنها یافته‌های خود را در قالب مقاله‌ای با عنوان The Structure of Boron Monoxide در مجله انجمن شیمی آمریکا (Journal of the American Chemical Society) منتشر کردند.
تعیین ساختار BO یک مشکل دیرینه بود که تاریخچه آن به سال ۱۹۴۰ بازمی‌گردد. حل این ساختار نیازمند توسعه روش‌های جدید NMR و همچنین استفاده از پراش اشعه ایکس (XRD)، آنالیز ترموگراویمتری (TGA)، کالری‌سنجی اسکن تفاضلی (DSC)، اسکن اشعه ایکس، طیف سنجی فوتوالکترونی اشعه ایکس (XPS) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) بود.
فردریک پراس، دانشمندی از آزمایشگاه ایمز و عضو این تیم تحقیقاتی، می‌گوید: «ما در ابتدا واقعاً به دنبال مطالعه این ماده خاص نبودیم. ما در واقع تلاش می‌کردیم یک چارچوب آلی کووالانسی عاری از کربن بسازیم.»
یک چارچوب آلی کووالانسی، یک ماده با چگالی کم و متخلخل با ساختار کریستالی منظم است. چنین ساختاری، از مولکول‌های آلی تشکیل شده است که از طریق پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل شده‌اند.
ونیو هوانگ، دانشمند دیگری از آزمایشگاه ایمز و عضو این تیم، گفت: «با این حال، پس از آزمایش‌های متعدد و سنتز فراوان، ما نتوانستیم یک ماده چارچوب آلی کووالانسی بسیار کریستالی به دست آوریم.»
این تیم در نهایت موادی بر پایه بور ساختند که پراس گفت توصیف آن دشوار است. از طریق تحقیقات خود، آنها به مقالاتی دست یافتند که انتشار آن به سال ۱۹۴۰ بازمی‌گردد، این مقالات حاوی توصیفاتی از واکنش دقیقی بود که این تیم روی آن کار می‌کرد، و سنتز ماده‌ای به نام مونوکسید بور در آن تشریح شده بود. متأسفانه دانشمندان قبلی قادر به تعیین ساختار این ماده نبودند.
پراس از محققان این پروژه می‌گوید: «خوشبختانه، فناوری برای تحقیقات مواد از دهه ۱۹۴۰ پیشرفت کرده بود. به دلیل تخصص ما در طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای و توسعه روش‌های جدیدی که افراد دهه‌های ۴۰، ۵۰ و ۶۰ به آنها دسترسی نداشتند، فکر کردیم که ممکن است بتوانیم این معمای نزدیک به یک قرنی را حل کنیم.»
پراس توضیح داد که مونوکسید بور با استفاده از یک مولکول پیش ساز ساخته می‌شود که مانند بلوک‌های سازنده عمل می‌کند. این مولکول‌ها از طریق واکنش‌های آب‌زدایی به هم می‌چسبند. کلید درک ساختار این است که بفهمیم بلوک‌ها چگونه از نظر فیزیکی چیده شده‌اند. بنابراین ما برخی از روش‌های NMR را توسعه دادیم که به ما امکان می‌دهد جهت‌گیری این بلوک های ساختمانی را نسبت به یکدیگر مطالعه کنیم. اساسا، ما متوجه شدیم که مولکول‌های پیش ساز مجاور به موازات یکدیگر سازماندهی می‌شوند که با یکی از مدل‌های پیشنهادی قبلی مطابقت دارد.
پراس می‌گوید: «ما همچنین بسیاری از تکنیک‌های دیگر، از جمله پراش پرتو ایکس پودری را به کار بردیم که نشان داد این نانوصفحات خود را به شکلی که آرایش توربواستراتیک نامیده می‌شود، سازماندهی می‌کنند. او توضیح داد که این نانوصفحات روی هم مانند یک پشته کاغذ هستند. هنگامی که فرود آمدند، کاملاً در یک راستا قرار نمی‌گیرند، اما در یک پشته باقی می‌مانند.»
به گفته پراس، اخیراً علاقه زیادی به سنتز مواد دوبعدی جدید مبتنی بر بور وجود داشته است. درک ساختار این یکی می‌تواند منجر به سنتز سایر مواد مفید دو بعدی مبتنی بر بور شود. آنچه واقعاً مرا هیجان‌زده می‌کند این واقعیت است که این مسئله راز قدیمی بود که ما آن را حل کردیم. این ساختار، یک ماده اولیه است. وقتی فرمول شیمیایی را می‌نویسید، BO است. بنابراین، از این نقطه نظر جالب است که ما در نهایت ساختار آن را پیدا کردیم.