中國(guó)燕山大學(xué)聯(lián)合多家科研機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)在《自然·化學(xué)》期刊發(fā)表論文，成功合成一種名為Imma-B60的新型硼同素異形體。該材料打破了傳統(tǒng)純硼晶體堅(jiān)硬且脆、導(dǎo)電性差的固有特性，具備高度導(dǎo)電性，并可在特定方向上承受約23%的塑性變形，展現(xiàn)出元素單質(zhì)中罕見的延展能力。

過去半個(gè)多世紀(jì)以來，已知硼的同素異形體（如β-菱形十二面體相和高壓γ-B28相）均由B12二十面體籠狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成，形成致密的三維網(wǎng)絡(luò)。這種架構(gòu)雖賦予材料高硬度和部分半導(dǎo)體特性，但缺乏應(yīng)力釋放機(jī)制，受力超過彈性極限后極易開裂。實(shí)現(xiàn)單一硼相同時(shí)具備優(yōu)良導(dǎo)電性與塑性流動(dòng)能力，一直是該領(lǐng)域長(zhǎng)期未攻克的目標(biāo)。

Imma-B60的制備采用獨(dú)特的兩步前驅(qū)體策略。研究團(tuán)隊(duì)首先在高壓高溫條件下合成硼化鈉（Na4B60），并通過插入鋅中間層顯著提升了晶體尺寸與質(zhì)量。隨后，將晶體置于高真空環(huán)境中約900攝氏度下脫氣48小時(shí)以去除鈉原子。殘留鈉含量通過能譜分析確認(rèn)，較低溫度或氬氣流條件會(huì)導(dǎo)致鈉殘留，凸顯了提取工藝對(duì)Zui終純度及性能的關(guān)鍵影響。該方法成功保留了含鈉母體的幾何構(gòu)型，為獲取無法直接合成的亞穩(wěn)態(tài)材料提供了新路徑。

脫鈉后保留的純硼骨架具有正交晶系開放框架結(jié)構(gòu)。其中的B12二十面體通過雙中心和三中心σ鍵與三角形B3單元相互連接，形成多孔籠狀架構(gòu)，與傳統(tǒng)致密堆積的硼結(jié)構(gòu)不同。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合單晶與粉末X射線衍射、Rietveld精修、微電子衍射及掃描透射電鏡等手段確認(rèn)了該結(jié)構(gòu)，并將衍射圖譜與所有已報(bào)道及預(yù)測(cè)的硼相進(jìn)行比對(duì)，證實(shí)Imma-B60確為全新物相。

電子特性方面，計(jì)算與測(cè)量表明Imma-B60具有小于0.2電子伏特的窄帶隙，遠(yuǎn)小于常規(guī)硼相。其實(shí)測(cè)電導(dǎo)率約為9×102西門子/米，比β-硼高出七個(gè)數(shù)量級(jí)。在化學(xué)組成未變的情況下，該材料已從接近絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)轭悓?dǎo)體半導(dǎo)體。成鍵分析顯示，框架主要由σ型鍵合維持，開放拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使電子處于電荷傳輸更為順暢的狀態(tài)。

力學(xué)行為同樣突出。通過對(duì)晶體切割出的納米柱進(jìn)行原位單軸壓縮測(cè)試，研究人員觀察到Imma-B60沿特定晶向可發(fā)生約23%的塑性應(yīng)變。變形通過位錯(cuò)介導(dǎo)的滑移機(jī)制進(jìn)行，原子平面沿既定結(jié)晶學(xué)路徑相對(duì)滑動(dòng)而非斷裂。壓縮實(shí)驗(yàn)視頻顯示納米柱彎曲與剪切形態(tài)更接近金屬。前驅(qū)體與Zui終B60相的納米壓痕測(cè)試進(jìn)一步提供了硬度與彈性模量數(shù)據(jù)，證實(shí)其性能已脫離傳統(tǒng)硼材料“超硬但脆”的特征區(qū)間。

該前驅(qū)體模板策略本身可能成為本研究Zui具影響力的貢獻(xiàn)。利用客體物種（鈉）構(gòu)筑框架后再移除以留下亞穩(wěn)態(tài)元素結(jié)構(gòu)的思路，此前曾用于合成開放框架硅化物，并被提議拓展至聚合氮及其他元素的超導(dǎo)同素異形體。燕山大學(xué)團(tuán)隊(duì)在硼體系中的成功驗(yàn)證，為僅能通過化學(xué)模板法獲取的亞穩(wěn)態(tài)材料目錄增添了新條目。計(jì)算還繪制了鈉原子的擴(kuò)散路徑與能壘，展示了客體原子如何在不移塌框架的情況下遷出。

高導(dǎo)電性與延展性在輕元素框架中的結(jié)合，為熱電器件、柔性或可變形電子器件、輕質(zhì)電極及機(jī)械韌性半導(dǎo)體組件等應(yīng)用開辟了新途徑。理論研究表明，摻雜硼二十面體甚至可能誘導(dǎo)超導(dǎo)性。該成果表明，周期表中Zui簡(jiǎn)單的元素之一仍存突破空間，Imma-B60不僅突破了硼的傳統(tǒng)性能局限，其基于前驅(qū)體的合成策略也可能成為探索后續(xù)亞穩(wěn)態(tài)框架材料的模板。