从投稿到接收仅3个月，最新Science，揭秘这个“另类”材料！

摘要：在材料科学的世界里，硼氧化物（B₂O₃）一直是一种“另类”的存在。它在常压下无法形成大块晶体，而是以玻璃态出现，并且其中包含的“硼氧环”（boroxol group）单元，在三维晶体中从未被观察到。这一“结晶之谜”困扰科研界数十年：硼氧化物能否在常压下形成稳定

填补领域空白！首次验证二维“硼氧蜂巢晶格”

在材料科学的世界里，硼氧化物（B₂O₃）一直是一种“另类”的存在。它在常压下无法形成大块晶体，而是以玻璃态出现，并且其中包含的“硼氧环”（boroxol group）单元，在三维晶体中从未被观察到。这一“结晶之谜”困扰科研界数十年：硼氧化物能否在常压下形成稳定的硼氧环晶体？如果可以，它会以怎样的方式存在？

今日，意大利国家研究委员会材料研究所（CNR-IOM）的Cristina Africh教授、Alessandro Sala教授联合意大利的里雅斯特大学Maria Peressi教授首次在实验中合成出一种二维硼氧化物晶体，并且证实其基本构筑单元正是长期猜测的硼氧环。这一成果不仅填补了硼酸盐材料研究的空白，也为二维材料家族再添新成员。相关论文以“Two-dimensional diboron trioxide crystal composed by boroxol groups”为题发表在《Science》上。Teresa Zio和Marco Dirindin为共同第一作者。

蜂巢格局：从理论预测到现实图景

研究团队通过在铂（111）基底表面上沉积硼元素，并在高温下与氧气反应，成功获得了由硼氧环拼接而成的蜂巢状二维B₂O₃晶体。更令人振奋的是，他们利用扫描隧道显微镜（STM）和低能电子衍射（LEED）等手段，在原子尺度确认了这种蜂巢晶格的规则性（图1a）。这种二维材料的格子常数约为8.57 Å，呈现出高度有序的六边形排列，几乎没有缺陷。与传统三维氧化物晶体相比，它不仅在结构上更接近玻璃态B₂O₃的局域单元，也让科学家首次得以“看清”硼氧环的真实模样。图1a展示了两种不同的合成路线：无论是先沉积硼再氧化，还是在氧气环境中直接沉积，最终都能得到相同的二维硼氧化物晶格。这说明硼氧环结构在热力学上极为稳定。

图1：二维B₂O₃的两种合成方法示意图

原子结构揭秘：理论与实验的完美契合

在确认材料的化学组成后，研究团队进一步借助密度泛函理论（DFT）计算对其原子结构进行建模。他们发现，这种二维晶格完全由硼氧环（B₃O₃）单元拼接而成，类似一个个“分子蜂巢”首尾相连（图2d）。STM的高分辨图像显示晶格中存在不同取向的旋转畴和摩尔条纹（图2a），表明二维B₂O₃并不与基底原子严格对齐，而是呈现出较弱的相互作用。这一点在LEED衍射图案中得到印证（图2b）。光谱测试也给出了确凿证据：X射线光电子能谱（XPS）和近边X射线吸收精细结构（NEXAFS）均显示出硼原子处于三配位的B³⁺状态，与硼氧环的理论预期完全一致（图2c）。通过实验与计算的比对，研究人员确认他们所得到的正是一种由纯硼氧环构成的二维晶体。

图2：二维B₂O₃的结构与化学组成

电子结构与“最软二维材料”

二维B₂O₃不仅在结构上独树一帜，在力学与电子性质上同样展现出惊人特性。DFT计算结果表明，它的弹性模量仅约为30 Pa·m，比石墨烯和六方氮化硼低一个数量级，可谓迄今为止最柔软的单层二维材料。这种柔性意味着其纳米孔径有望通过应力调控实现“可调节”。在电子性质方面，二维B₂O₃表现为带隙约6.2 eV的宽带隙绝缘体（图3c）。更重要的是，研究人员通过角分辨光电子能谱（ARPES）实测到的能带，与理论计算高度吻合（图3d），进一步佐证了结构模型的可靠性。此外，电荷密度分布显示其与铂基底之间几乎没有电荷转移（图3e），说明二维B₂O₃与基底的耦合极弱，具备剥离转移到其他基底的潜力。这为未来在电子器件中的应用奠定了基础。

图3：二维B₂O₃在铂基底上的计算与实验结果

讨论：重新认识硼酸盐材料的窗口

这项工作不仅解决了B₂O₃晶体学的长期难题，也为研究玻璃态与晶态之间的转化提供了新平台。研究团队指出，二维硼氧化物的蜂巢网络类似有机二维聚苯结构，但其连接键由氧原子承担，赋予材料独特的柔韧性和可调性。未来，利用这种“基底辅助生长”策略，或许还可以探索包含不同结构单元（如BO₃三角形与B₃O₃环共存）的其他多晶型，从而揭示硼酸盐材料在不同条件下的结构演化机制。更大胆的设想是，以二维硼氧环网络为基础，堆叠形成新型三维层状结构，拓展无机二维材料的边界。

总结与展望

这项研究的最大亮点在于：首次实验证明了二维硼氧化物晶体的存在，且完全由硼氧环单元构成。它不仅解决了硼酸盐材料“玻璃为何能形成”的科学谜题，也拓宽了二维材料的版图。

未来，随着制备与转移技术的完善，二维B₂O₃有望在纳米多孔膜、可调滤波器、柔性电子器件等领域发挥作用。正如作者所说：“这只是开始，二维B₂O₃将为探索无机玻璃与晶体之间的奥秘开辟新道路。”