Исследователи из Университета Брауна под руководством профессора Лай-Шэна Вана наблюдали бор-фуллерен B₈₀ — полый сферический кластер из 80 атомов бора, структурно и электронно повторяющий знаменитый углеродный бакминстерфуллерен C₆₀. Это открытие ставит под сомнение одну из самых мощных вычислительных методик современной химии и открывает путь к новому классу наноматериалов.

Долгий путь к «невозможной» молекуле

Углеродный фуллерен C₆₀ был открыт в 1985 году Робертом Кёрлом, Харольдом Крото и Ричардом Смолли. Эта полая молекула в форме футбольного мяча, состоящая из 60 атомов углерода, положила начало целой эпохе в нанонауке — от углеродных нанотрубок до графена.

С тех пор учёные искали аналогичные структуры среди других элементов. Бор казался идеальным кандидатом: он находится рядом с углеродом в таблице Менделеева, но обладает одним ключевым отличием — у него на один электрон меньше. Бор известен как «нарушитель правил» в химии, поскольку его электронная конфигурация заставляет атомы формировать необычные связи.

В 2007 году материаловед Борис Якобсон из Университета Райса теоретически предсказал, что сферическая клетка из 80 атомов бора должна быть стабильной. Однако последующие расчёты методами теории функционала плотности (DFT) — рабочей лошадки вычислительной химии — показали, что структура-фуллерен должна быть гораздо менее выгодной, чем плоские или «ядро-оболочка» изомеры. Теория фактически похоронила идею на полтора десятилетия.

Эксперимент, который перевернул расчёты

Команда Лай-Шэна Вана не собиралась искать фуллерен. Они изучали кластеры бора как возможные аналоги графена — плоского материала под названием «борoфен». Однако при лазерном испарении мишени из бора в атмосфере гелия с добавлением аргона они получили неожиданно чистый фотоэлектронный спектр для кластера B₈₀⁻.

Спектр содержал всего три чётких пика — невероятная простота для кластера из 80 атомов. Такая картина возможна только в том случае, если молекула обладает высокой симметрией и не имеет значительных примесей других изомеров. Первый автор работы Хюн Чхве вспоминает: «В тот момент, когда я увидел спектр, я понял, что смотрю на что-то выдающееся».

«Для 80 атомов демонстрировать такую структуру — я до сих пор нахожу это невероятным», — говорит Лай-Шэн Ван.

Вызов для вычислительной химии

Чтобы подтвердить, что наблюдаемый сигнал действительно соответствует фуллерену, исследователи рассчитали ожидаемые спектры для всех конкурирующих структур — плоских, «ядро-оболочка» и других. Только сферическая клетка B₈₀ дала совпадение с экспериментом.

Однако здесь возникла проблема: DFT-расчёты оценивали энергию фуллерена на 3,41 эВ выше, чем плоского глобального минимума — огромная разница по меркам вычислительной химии. Иными словами, теория утверждала, что такая молекула не должна существовать, а эксперимент показывал обратное.

«DFT ошибается для этой конкретной системы», — констатирует Ван. «Это бросает вызов методам DFT». Борис Якобсон, чьё предсказание 2007 года в итоге подтвердилось, призывает к осторожности: «Я бы поздравил авторов с тем, что они наконец нашли этот шар. Но я также хотел бы увидеть больше независимых подтверждений из других лабораторий, поскольку это такая невероятная структура».

Что это значит для будущего

B₈₀ валентно-изоэлектронен C₆₀ — оба содержат по 240 валентных электронов и обладают почти идентичным характером связей. Это означает, что химия бор-фуллерена может во многом повторять химию углеродного аналога, но с важными отличиями.

Благодаря чуть большему диаметру и более сильному сродству к электрону, B₈₀ может оказаться лучшим акцептором электронов, чем C₆₀. Ван предполагает, что объёмный бор-фуллерен мог бы найти применение как полупроводник, материал для хранения водорода или, при легировании, даже как сверхпроводник.

Пока всё это — теория. Объёмный синтез B₈₀ ещё не осуществлён, и команда планирует проверить, выживут ли связи бор-бор при контакте с водой и кислородом. Если да, путь к массовому производству может открыться. Ван настроен оптимистично: когда его группа предложила борoфен, две независимые команды синтезировали его в течение двух лет. «Как только вы показываете, что что-то возможно, люди пытаются это сделать», — говорит он.

История B₈₀ — это напоминание о том, что даже самые мощные вычислительные методы не заменяют эксперимента. Бор, «нарушитель правил», в очередной раз доказал, что химия не всегда следует предсказаниям теории.