從C20到五邊形石墨烯示意圖

    一般來說，石墨烯是一種六邊形結(jié)構(gòu)的碳材料。日前，北京大學(xué)應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心王前教授課題組與其他國際合作者模擬了一種稱為五邊形石墨烯的新型碳材料的合成。與由碳六元環(huán)所構(gòu)成的石墨烯不同，這種碳的新同素異形體是以純碳五元環(huán)為結(jié)構(gòu)基元構(gòu)成的二維結(jié)構(gòu)，并具有可與石墨烯媲美的優(yōu)異性質(zhì)。該研究成果近日發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》上。

    碳材料一直被認(rèn)為是材料科學(xué)研究的前沿。此前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的碳材料和碳納米結(jié)構(gòu)大多是以碳六元環(huán)作為主要結(jié)構(gòu)基元而構(gòu)成，除最小的富勒烯C20分子以外，僅以碳五元環(huán)為結(jié)構(gòu)基元而構(gòu)成的碳材料尚未發(fā)現(xiàn)。王前團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)只用碳五元環(huán)也可以構(gòu)成二維的碳結(jié)構(gòu)，打破了碳材料中的“孤立五邊形規(guī)則”，并用分子動力學(xué)模擬證明了五邊形石墨烯是熱穩(wěn)定的，可以承受高達(dá)1000K的溫度。

    五邊形石墨烯具有新穎的結(jié)構(gòu)，其投影類似于一種名為“開羅五邊形瓷磚”的裝飾圖案。研究人員提出，五邊形石墨烯可以使用化學(xué)剝離技術(shù)從一種稱為T12相的碳同素異形體得到。

    王前團(tuán)隊通過深入研究發(fā)現(xiàn)，五邊形石墨烯具有罕見的負(fù)泊松比效應(yīng)，即當(dāng)一個方向受到拉伸應(yīng)變時，其垂直方向具有擴(kuò)張效應(yīng)，這與普通材料具有收縮效應(yīng)是不同的；在承受雙軸拉伸應(yīng)變時，它具有可與石墨烯媲美的超高力學(xué)強(qiáng)度。因此五邊形石墨烯具有特殊的物理機(jī)械性能，如具有比石墨烯更好的抗斷裂性能和回彈韌性，以及抗負(fù)荷能力等，可應(yīng)用于隔音材料和緩沖材料。

    王前認(rèn)為，這項研究極大地豐富了人們對碳結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。五邊形石墨烯可應(yīng)用于輕質(zhì)半導(dǎo)體薄膜器件，應(yīng)變放大器等。一旦合成出來，可望在納米尺度的電子和機(jī)械器件中找到廣泛的用途。