بوروسفيرين

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 6 صور
الموسوعة الحرة
ب40 درجة بوروسفيرين

البوروسفيرين (B40 ) جزيء عنقودي فقير بالإلكترونات يحتوي على 40 ذرة بورون . وهو يشبه في بنيته مركبات عنقودية متجانسة الذرات أخرى مثل البكمينستر فوليرين (C60 ) والستاناسفيرين والبلومباسفيرين، ولكنه يختلف عنها في التناظر. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] نُشر أول دليل تجريبي على وجود البوروسفيرين في يوليو 2014، ووُصف في مجلة Nature Chemistry . [ 4 ] يحتوي الجزيء على أوجه سداسية وسباعية غير عادية . على الرغم من العديد من الدراسات الحسابية التي تناولت بنيته وخصائصه، لم يتم التوصل بعد إلى طريقة فعالة لتخليق البوروسفيرين وعزله، ولذلك لا يزال فهمه محدودًا نسبيًا.

تاريخ

المتماثل شبه المستوي الأدنى لأيون B 40 − (تناظر C s ).
المتماثل الثاني الأدنى مستوى الشبيه بالقفص لأيون B 40 − (تناظر D 2d )

في عام 2014، نشر تشاي وزملاؤه أول دليل تجريبي على وجود عنقود B40 متجانس العناصر يشبه الفوليرين ، وذلك بعد عقود من الدراسات النظرية حول هياكل قفص البورون عقب اكتشاف باكمنستر فوليرين. [ 5 ] تم إنتاج عناقيد B40− الأنيونية بشكل مؤقت عن طريق التبخير الليزري لهدف قرصي من البورون غني بـ 10 ذرة بورون، ودُرست باستخدام مطيافية الإلكترونات الضوئية . تطابق طيفها التجريبي بشكل جيد مع مزيج من الأطياف المحاكاة للحد الأدنى العالمي شبه المستوي الشبيه بالصفائح لأيون B40− ( تناظر Cs ) ونظيره البنيوي الشبيه بالفوليرين (تناظر D2d ) . مع ذلك، فإن الإشارة في طيف الإلكترونات الضوئية للأنيون المنسوبة إلى B40 الشبيه بالقفص لا تمثل سوى جزء ضئيل جدًا من الإشارة الكلية. لم يتم تأكيد تكوين B 40 الشبيه بالقفص، والذي يسمى بوروسفيرين، بشكل مستقل باستخدام أي نهج تجريبي آخر.

نُشرت العديد من الأبحاث النظرية حول بنية البوروسفيرين وخصائصه وتطبيقاته المحتملة. يتميز البوروسفيرين المتعادل بفجوة طاقة كبيرة بين أعلى مستوى جزيئي مشغول (HOMO) وأدنى مستوى جزيئي غير مشغول (LUMO) تبلغ 3.13 إلكترون فولت (مما يُزعزع استقرار أيونه السالب، ويجعل الحالة الأرضية لـ B40− هي المتصاوغ شبه المستوي). ومع ذلك، فقد حُسب أنه عُرضة لعملية التضاعف الطاردة للحرارة ، بحاجز تنشيط منخفض يبلغ 63 ملي إلكترون فولت، تليها عملية التضاعف الثلاثي بحاجز طاقة أقل، ثم التجمع السريع. [ 6 ] ونتيجة لذلك، لم يتم عزل البوروسفيرين بعد، كما أنه غير موصوف تجريبيًا بشكل كافٍ، على عكس البكمينستر فوليرين.

بناء

يتميز البورسفيرين بمحور تناظر فريد من نوعه C2 ، وينتمي إلى مجموعة التناظر D2d ( تناظر مضاد للمنشور ، مثل كرة البيسبول ) - على عكس البكمينستر فوليرين، الذي يتمتع بتناظر عشريني الوجوه . يحتوي البورسفيرين على ثمانية مثلثات B6 متراصة ، وفتحتين سداسيتين متداخلتين في قمته وقاعدته، بالإضافة إلى أربع فتحات سباعية على جوانبه. [ 5 ] [ 7 ] ومن اللافت للنظر أن هذه الفتحات السباعية تُحدث انحناءً غاوسيًا موجبًا (على عكس الانحناء الغاوسي السالب في أنابيب الكربون النانوية)، مما قد يُسهم في تقليل الإجهاد وبالتالي استقرار التجمع. [ 6 ]

تحتوي البوروسفيرين على 16 ذرة بورون رباعية التناسق، و24 ذرة بورون خماسية التناسق. كما تحتوي على أربع مجموعات من ثماني ذرات بورون متكافئة، ومجموعتين من أربع ذرات متكافئة.

B 40 HOMO: رابطة باي غير متمركزة على 5 ذرات بورون
رابطة سيجما غير متمركزة ثلاثية المراكز ذات إلكترونين نموذجية في البوروسفيرين.

يبلغ قطر البوروسفيرين المتعادل 6.2 أنغستروم. ويتألف من أحد عشر رابطة فريدة تتراوح أطوالها بين 1.60 أنغستروم و1.85 أنغستروم، ما يُقابل رتبة رابطة BB أقل بقليل من 2 إلى رتبة رابطة BB كسرية على التوالي. يُجسد هذا بوضوح درجة عالية من عدم تمركز الإلكترونات في كل من روابط سيغما وباي عبر المجموعة الفقيرة بالإلكترونات، على عكس البكمينستر فوليرين، الذي يتميز بروابط أكثر تمركزًا ويحتوي على رابطتين فقط، إحداهما رابطة أحادية والأخرى رابطة ثنائية. ويُعتبر المدار الجزيئي الأعلى طاقة المشغول (HOMO) للبوروسفيرين رباعي التحلل، حيث حُسب أنه رابطة باي غير متمركزة على خمس ذرات بورون.

قام لاي-شنغ وانغ ، أستاذ الكيمياء في جامعة براون ، بوضع نموذج لبنيتي الأنيون B40 وB40− المحتملتين . ووجد أن الأطياف المحاكاة لاثنين من المتماثلات ذات الطاقة الأدنى للأنيون - بنية شبيهة بالصفائح وبنية قفصية مغلقة - تتطابق جيدًا مع البيانات التجريبية. وكشف التحليل الطيفي للإلكترونات الضوئية أن المادة المتكونة في المختبر هي هذه البنية القفصية. يتمتع كل من البورسفيرين المتعادل والمتماثل الشبيه بالقفص لأنيونه بنفس التناظر D2d ، حيث يتم احتواء الإلكترون الإضافي في الأنيون داخل بنية القفص B40−. [ 1 ] بنية القفص ليست متجانسة تمامًا - "تبرز عدة ذرات قليلاً عن الذرات الأخرى، مما يجعل سطح البورسفيرين أقل نعومة إلى حد ما من سطح كرة بوكي" وفقًا لوانغ. [ 1 ]

التطبيقات المحتملة

يُتيح التجويف الموجود داخل البنية الشبيهة بالقفص لجزيء البوروسفيرين، بالإضافة إلى أوجهه السداسية والسباعية غير المشبعة تنسيقيًا، إمكانية تطعيمه من الداخل أو الخارج . [ 8 ] [ 9 ] عند إضافة شوائب معدنية، يُحسب حدوث انتقال كبير للشحنة من المعادن إلى قفص البوروسفيرين ، مما يؤدي إلى تكوّن شحنة موجبة على المعدن، ما يجعله قادرًا على استقطاب الجزيئات الصغيرة. يُفترض أن لهذه المركبات تطبيقات في التحفيز، والكشف عن الجزيئات الصغيرة مثل الهيدروجين أو تخزينها . [ 10 ]

استشعار الجزيئات الصغيرة

استغل ليو وزملاؤه الثبات الحراري لمركب B40 ( الذي حُسب أنه مستقر حتى 1000 كلفن)، ودرسوا، باستخدام حسابات نظرية الكثافة الوظيفية المصححة لقوى فان دير فالس ، جدوى استخدام B40 المُزين بالفلزات القلوية للتخزين العكسي والكشف البصري عن الهيدروجين. [ 11 ] كشف تحسين هياكل (AM) 6B40 (حيث AM = Li، Na، K) أن ذرات الفلز تتوزع فوق مراكز كل سداسي وسباعي في B40 ، مع طاقة ربط كبيرة في كل حالة، مما يشير إلى استقرار هذه المركبات. أدى امتزاز الهيدروجين على هذه المركبات إلى انزياح نحو الأحمر في أطيافها البصرية المحاكاة باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية المعتمدة على الزمن (TDDFT) في حالة Li6B40 ، وانزياح نحو الأزرق في حالتي Na6B40 و K6B40 .

قام لي وآخرون بدراسة البوروسفيرين غير المزخرف حسابيًا كمستشعر محتمل للغازات المحتوية على الكبريت ، ووجدوا أنه يتصرف كمستشعر إلكتروني لثاني أكسيد الكبريت وثاني كبريتيد الكربون (حيث يؤدي امتزازهما على عنقود البورون إلى استقرار مداره الجزيئي غير المشغول بشكل كبير، مما يزيد من عدد الإلكترونات الموصلة فيه)، بالإضافة إلى كونه مستشعرًا من النوع Φ للأول (بسبب التغير الكبير في دالة الشغل Φ عند امتزاز SO2 ) ، ولكنه لم يتصرف كمستشعر لغازي كبريتيد الكربونيل وكبريتيد الهيدروجين . [ 12 ]

تخزين الجزيئات الصغيرة

قام إسرافيلي وآخرون ، من خلال نمذجة مركب Ca6B40 ذي البنية الخارجية ، بمحاكاة امتزاز ثاني أكسيد الكربون على هذا المركب، ووجدوا أن الحد الأعلى للامتزاز هو أربع جزيئات من ثاني أكسيد الكربون لكل ذرة كالسيوم، بمتوسط ​​طاقة ربط يبلغ -0.54 إلكترون فولت لكل جزيء، وهو ما يقع ضمن النطاق الأمثل لطاقات الربط لمادة ماصة لثاني أكسيد الكربون (0.40 - 0.80 إلكترون فولت)، مما يسمح بسهولة إزالة الامتزاز عند درجات حرارة مرتفعة. [ 13 ]

تبين أن جزيء B40 غير المُزخرف مرشح ضعيف لتخزين الهيدروجين بشكل عكسي، إذ لا يستطيع سوى عزل جزيء هيدروجين واحد فقط لكل ذرة B40 داخل قفصه بشكل غير عكسي . أما جزيء Li6B40 ، فقد تبين أنه قادر على امتصاص ما يصل إلى 18 جزيء هيدروجين ( 3 جزيئات هيدروجين في كل موقع ليثيوم) - ما يعادل كثافة وزنية قدرها 7.1% - بطاقة ربط متوسطة معتدلة تبلغ 0.11 إلكترون فولت/جزيء هيدروجين ، ضمن النطاق الأمثل لتخزين الهيدروجين بشكل عكسي. تُمتص جزيئات الهيدروجين اللاحقة فيزيائيًا على العنقود بدلًا من امتصاصها كيميائيًا ، وتكون طاقة ربطها أضعف بكثير. [ 14 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 ستايسي، كيفن. "باحثون يكتشفون كرة بوكي المصنوعة من البورون"" . news.brown.edu . جامعة براون . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 يوليو 2014 .
  2. ↑ كوي، لي-فينغ؛ شين هوانغ؛ لي-مينغ وانغ؛ ديمتري يو. زوباريف؛ ألكسندر آي. بولديريف؛ جون لي؛ لاي-شنغ وانغ (2006-07-01). "Sn122-: ستاناسفيرين". مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 128 (26): 8390-8391 . doi : 10.1021/ja062052f . ISSN 0002-7863 . PMID 16802791 .  
  3. ↑ كوي، لي-فينغ؛ شين هوانغ؛ لي-مينغ وانغ؛ جون لي؛ لاي-شنغ وانغ (2006-08-01). "Pb122-: بلومباسفيرين". مجلة الكيمياء الفيزيائية أ . 110 (34): 10169–10172 . Bibcode : 2006JPCA..11010169C . doi : 10.1021/jp063617x . ISSN 1089-5639 . PMID 16928103 .  
  4. ^ تشاي، هوا جين؛ يا فان تشاو؛ وي لي لي؛ تشيانغ تشن؛ هوي باي؛ هان شي هو؛ زاكاري أ. بيازا؛ ون خوان تيان؛ هاي جانج لو؛ يان بو وو؛ يو وين مو؛ غوانغ فنغ وي؛ تشي بان ليو؛ جون لي؛ سي ديان لي؛ لاي شنغ وانغ (2014/07/13). “مراقبة الفوليرين الشامل للبورون”. كيمياء الطبيعة . النشر المسبق على الإنترنت (8): 727-731 . بيب كود : 2014NatCh...6..727Z . دوى : 10.1038/nchem.1999 . ردمك 1755-4349 . بميد 25054944 .  
  5. 1 2 تشاي، هوا جين؛ يا فان تشاو؛ وي لي لي؛ تشيانغ تشن؛ هوي باي؛ هان شي هو؛ زاكاري أ. بيازا؛ ون خوان تيان؛ هاي جانج لو؛ يان بو وو؛ يو وين مو؛ غوانغ فنغ وي؛ تشي بان ليو؛ جون لي؛ سي ديان لي؛ لاي شنغ وانغ (2014/07/13). “مراقبة الفوليرين الشامل للبورون”. كيمياء الطبيعة . النشر المسبق على الإنترنت (8): 727–731 . بيب كود : 2014NatCh...6..727Z . دوى : 10.1038/nchem.1999 . ردمك 1755-4349 . بميد 25054944 .  
  6. 1 2 يانغ، يانغ؛ تشانغ، تشوهوا؛ بينيف، يفغيني س.؛ ياكوبسون، بوريس إ. (2017-02-02). "استقرار عنقود B40، وتفاعليته، وسلفه البنيوي المستوي" . نانوسكيل . 9 (5): 1805-1810 . doi : 10.1039/C6NR09385J . ISSN 2040-3372 . PMID 28098282 .  
  7. ↑ كويك، دارين (14 يوليو 2014). "البوروسفيرين ينضم إلى عائلة بوكي بول" . Gizmag.com . تاريخ الاسترجاع: 14 يوليو 2014 .
  8. ↑ باي، هوي؛ تشين، تشيانغ؛ تشاي، هوا-جين؛ لي، سي-ديان (12 يناير 2015). "ميتالوبوروسفيرينات داخلية وخارجية: M@B 40 (M=Ca, Sr) وM&B 40 (M=Be, Mg)" . Angewandte Chemie International Edition . 54 (3): 941–945 . doi : 10.1002/anie.201408738 . ISSN 1433-7851 . PMID 25418022 .  
  9. ↑ يو، تيانرونغ؛ غاو، يانغ؛ شو، ديشوان؛ وانغ، تشيغانغ (2018-01-01). "تجمعات البورون الداخلية للأكتينيدات: بنية إلكترونية مغلقة الغلاف لـ U@B40". أبحاث النانو . 11 (1): 354-359 . doi : 10.1007/s12274-017-1637-9 . ISSN 1998-0000 . 
  10. ↑ كور، هارلين؛ كور، جوبيندر؛ كومار، رافيندر (2022-01-01). "مراجعة شاملة عن الفوليرين البوروني (B40): مادة واعدة لتطبيقات الاستشعار والأجهزة" . وقائع مؤتمر المواد اليوم . SCPINM-2021. 48 : 1095-1102 . doi : 10.1016/j.matpr.2021.07.465 . ISSN 2214-7853 . 
  11. ↑ ليو، تشون-شنغ؛ يي، شياو-جوان؛ وانغ، شيانغفو؛ يان، شياوهونغ (13 يونيو 2016). "فوليرين B40 المعدني كمادة جديدة لتخزين الهيدروجين والكشف البصري عنه: دراسة من المبادئ الأولى" . RSC Advances . 6 (62): 56907–56912 . Bibcode : 2016RSCAd...656907L . doi : 10.1039/C6RA08378A . ISSN 2046-2069 . 
  12. ↑ لي، تشانغيو؛ تانغ، وينشيو؛ وهابي، وحيد (2020-06-01). "تحديد غازات الكبريت باستخدام الفوليرين B40: دراسة حسابية" . فيزيكا إي . 120 114038. رمز Bibcode : 2020PhyE..12014038L . doi : 10.1016/j.physe.2020.114038 . ISSN 1386-9477 . 
  13. ↑ إسرافيلي، مهدي د.؛ موسويان، باريساسادات (16-10-2021). "فوليرين B40 المغطى بالكالسيوم: مادة واعدة لتخزين وفصل ثاني أكسيد الكربون" . رسائل الفيزياء الكيميائية . 781 138991. doi : 10.1016/j.cplett.2021.138991 . ISSN 0009-2614 . 
  14. ↑ باي، هوي؛ باي، بينغ؛ تشانغ، لين؛ هوانغ، وي؛ مو، يو-وين؛ تشاي، هوا-جين؛ لي، سي-ديان (18-10-2016). "البوروسفيرين B40 المُزيّن بالليثيوم: وسيط واعد لتخزين الهيدروجين" . التقارير العلمية . 6 (1) 35518. doi : 10.1038/srep35518 . ISSN 2045-2322 . PMC 5067665. PMID 27752102 .   
  • شعار ويكيميديا ​​كومنزالوسائط المتعلقة بالبوروسفيرين على ويكيميديا ​​كومنز