Bor regt seit langem die Fantasie der Forscher an. Seine Atome können zahlreiche Bindungsarten eingehen, und reines Bor kommt in vielen Varianten vor: Einige davon sind transparent, andere undurchsichtig, die meisten weisen eine geringe Leitfähigkeit auf, und alle bisher bekannten Varianten waren extrem hart. Nun haben Experten jedoch eine neue, potenziell nützliche Variante hergestellt, die verformbar ist und eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die mehr als eine Million Mal so hoch ist wie die typischer Borverbindungen. Über die als Imma-B60 bezeichnete Struktur wurde in der Fachzeitschrift „Nature Chemistry“ berichtet.
Genau wie der Kohlenstoff, der im Periodensystem direkt neben ihm steht und in Strukturen wie Diamant oder Graphit vorkommt, kann auch Bor verschiedene Formen, sogenannte Allotrope, annehmen, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Die Entdeckung des jüngsten ungewöhnlichen Bor-Allotropen geht auf das Jahr 2009 zurück. Artem Oganov, Materialchemiker am Skolkovo-Institut für Wissenschaft und Technologie in Moskau, der an dieser Forschung beteiligt war, erklärte, dass die Entdeckung von Imma-B60 den Weg für die Synthese einer ganzen Familie von Materialien ebnen könnte.
Bor reagiert im Allgemeinen leicht mit anderen Elementen und bildet eher Boride als reine Bor-Allotrope. Da Boratome zudem leicht sind (sie sind nur etwa zehnmal schwerer als Protonen), kann es in Experimenten schwierig sein, sie genau nachzuweisen. Diese doppelte Herausforderung ist einer der Gründe dafür, dass in den letzten 16 Jahren kaum Bor-Allotrope entdeckt wurden – obwohl Experten die Existenz mehrerer solcher Allotrope vorhergesagt hatten.
Zur Herstellung von Imma-B60 entwickelten Xiang-Feng Zhou, Materialforscher an der Yanshan-Universität in Qinhuangdao, China, und seine Kollegen ein zweistufiges Verfahren, das in Bezug auf Bor bisher noch nie angewendet worden war. Zunächst setzten sie Bor und Natrium hohem Druck aus, wodurch das Bor zur Reaktion mit dem Natrium gebracht wurde. Anschließend erhitzten sie das Gemisch unter Vakuum auf 900 °C, um die Natriumverunreinigungen nahezu vollständig zu entfernen und so Imma-B60 herzustellen.
„Das ist ein effektives Verfahren – nicht ganz neu, aber vielleicht die bisher eleganteste und modernste Anwendung“, sagt Oganov. „Die Auswirkungen könnten sehr weitreichend sein.“
Die neue Modifikation besteht aus einem Netzwerk von Boratomen, in dem sich an den früheren Positionen der Natriumatome Leerstellen befinden. Dies ermöglicht das sogenannte Dislokationsgleiten der Atome, was dem Material Formbarkeit verleiht, sodass es auf 123 % seiner ursprünglichen Länge gedehnt werden kann. Nach dem Dehnen nimmt es jedoch nicht wieder seine ursprüngliche Form an. Die Leitfähigkeit dieses neuen Bor-Allotropes ist höher als die aller bisher entdeckten – und in reinem Zustand, wenn alle Natriumverunreinigungen daraus entfernt werden, könnte es Prognosen zufolge sogar metallische Eigenschaften aufweisen. Dies würde ihm eine noch höhere elektrische Leitfähigkeit verleihen.
Oganov sieht Anwendungsmöglichkeiten für Imma-B60 in Solarzellen und anderen thermoelektrischen Materialien – also solchen, die Temperaturunterschiede in elektrische Energie umwandeln. Das Allotrop könnte Borcarbid (B4C) – ein derzeit in Körperpanzern verwendetes Material –, das Bor- und Kohlenstoffatome zu einem harten und dennoch leichten Material verbindet und auch als „schwarzer Diamant“ bezeichnet wird.
Obwohl das Material einzigartige Eigenschaften aufweist, stellt die Entfernung von Natrium aus größeren Kristallen nach wie vor eine Herausforderung dar, sagt Irina Chuvashova, Materialchemikerin an der Florida International University. Der größte von der Gruppe hergestellte Kristall hatte einen Durchmesser von 3 Mikrometern (das ist etwa 20-mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares). „Bevor wir über Anwendungsmöglichkeiten sprechen können, müssen wir die Größe erhöhen“, sagt Chuvashova. „Bei thermoelektrischen Anwendungen sprechen wir von sichtbaren Größen – von Millimetern oder sogar Zentimetern.“
