منذ فترة ليست بالطويلة، كان الجرافين المادة العجيبة الجديدة. ويتألف من صفيحة شبكية شديدة المتانة من الكربون بسماكة ذرة واحدة، ويمكن استخدامه لبناء الأنابيب والكرات وغيرها من الأشكال الغريبة. ونظراً لناقليته الكهربائية، فقد أثار علماء المواد احتمال الدخول في حقبة جديدة من الحوسبة المبنية على الجرافين، وإطلاق مجال صناعي جديد للشرائح الحاسوبية الجرافينية. وقد استثمر الاتحاد الأوروبي مليار يورو لإطلاق صناعة الجرافين.
غير أن هذا العالم الجديد المبني على الجرافين لم يتجسد واقعياً حتى الآن، ولكنه أثار الاهتمام بمواد أخرى ثنائية الأبعاد. ويعتبر البوروفين أكثرها إثارة للاهتمام، وهو عبارة عن طبقة واحدة من ذرات البورون التي تشكل هياكل بلورية متنوعة.
أما سبب الحماس الذي يحيط بهذه المادة فهو المجال الواسع من التطبيقات التي يبدو أن البوروفين سيكون مفيداً لها. ويعتقد أخصائيو الكيمياء الإلكترونية أن البوروفين سيستخدم كمصعد في جيل جديد من بطاريات أيونات الليثيوم التي تتميز باستطاعة أكبر، كما أن الكيميائيين يشعرون بالانجذاب إلى خصائص البوروفين في تحفيز التفاعلات الكيميائية، وقد بدأ الفيزيائيون باختبار قدراته كحساس لكشف عدة أنواع من الذرات والجزيئات.
والآن، قام زي شيانج وانج في جامعة شيامين في الصين وعدد من زملائه بدراسة الخصائص المذهلة للبوروفين والتطبيقات المحتملة لها.
ظهر البوروفين منذ فترة قصيرة. فقد تنبأ الفيزيائيون بوجوده أول مرة في التسعينيات باستخدام عمليات محاكاة حاسوبية تبين كيفية تراصف ذرات البورون لتشكيل طبقة أحادية. ولكن لم تظهر هذه المادة العجيبة إلى الوجود فعلياً حتى 2015 عندما تم تصنيعها بطريقة الترسيب الكيميائي للبخار، وفي هذه العملية، تتكاثف ذرات غاز البورون الحار على سطح بارد من الفضة النقية. وبسبب التراصف المنتظم لذرات الفضة، تتراصف ذرات البورون بنمط مشابه، بحيث ترتبط كل منها بما يصل إلى ست ذرات أخرى لتشكيل هيكلية مسدسة. ولكن نسبة كبيرة من ذرات البورون ترتبط فقط مع أربع أو خمس ذرات أخرى، ما يؤدي إلى فراغات في البنية، وتكتسب بلورات البوروفين خصائصها المميزة من توزع هذه الفراغات.
منذ تصنيع البوروفين، عمل الكيميائيون بحماس على دراسة خصائصه. وقد تبين أنه أكثر قوة من الجرافين، وأكثر مرونة أيضاً. وهو ناقل جيد للحرارة والكهرباء، كما أنه يصلح للاستخدام كناقل فائق أيضاً. تتغير هذه الخصائص اعتماداً على توجه المادة وترتيب الفراغات، وهو ما يجعلها "قابلة للتعديل"، على الأقل من ناحية المبدأ، وهو أحد أسباب حماس الكيميائيين إزاءها.
أيضاً، يتمتع البوروفين بخفة الوزن، وقابلية جيدة للتفاعل. وهو ما يجعله من المواد الجيدة المرشحة لتخزين الأيونات المعدنية في البطاريات. يقول وانج وزملاؤه: "إن البوروفين مادة واعدة قد تصلح كمصعد لبطاريات أيونات الليثيوم والصوديوم والمغنيزيوم، وذلك بسبب سعاته النوعية النظرية المرتفعة، وناقليته الإلكترونية الممتازة، وخصائصه المميزة في نقل الأيونات".
تلتصق ذرات الهيدروجين أيضاً بسهولة على بنية البوروفين أحادية الطبقة، وبفضل ميزة الامتزاز هذه، إضافة إلى السطح الكبير لطبقات الذرات، فإن البورون مادة واعدة لتخزين الهيدروجين. وتشير الدراسات النظرية إلى أن البوروفين يمكن أن يخزن أكثر من 15% من وزنه من الهيدروجين، متفوقاً على المواد الأخرى بفارق كبير.
هناك أيضاً قدرة البوروفين على تحفيز تفكيك الهيدروجين الجزيئي إلى أيونات هيدروجين، وتفكيك الماء إلى أيونات هيدروجين وأوكسجين. يقول الفريق: "إن قدرات البوروفين الكبيرة على تحفيز التفاعلات الكيميائية ظهرت في تفاعل إطلاق الهيدروجين، وتفاعل إرجاع الأوكسجين، وتفاعل إطلاق الأوكسجين، وتفاعل الإرجاع الكهربائي لثنائي أوكسيد الكربون". وهو ما يمكن أن يؤدي إلى حقبة جديدة من دورات الطاقة المبنية على الماء.
ولكن، ما زال أمام الكيميائيين بعض العمل قبل أن ينتشر استخدام البوروفين على نطاق أوسع. وكبداية، يجب أن يكتشفوا أولاً طريقة لإنتاج البوروفين بكميات كبيرة، كما أن قابلية المادة للتفاعل تعني أنها معرضة للأكسدة، ما يوجب حمايتها بشكل دقيق. وبسبب هذين العاملين، فإن التعامل مع البوروفين مكلف وصعب، أي أن العمل لم ينته بعد.
ولكن الكيميائيين متفائلون للغاية، وقد يصبح البوروفين المادة العجيبة التالية التي ستُبهر العالم.
مرجع: arxiv.org/abs/1903.11304: دراسة للبوروفين وتطبيقاته المحتملة.
