六邊變五邊，科學(xué)家模擬合成新型石墨烯

從C20到五邊形石墨烯示意圖

    一般來(lái)說(shuō)，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(guó)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(guó)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(duì)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(dòng)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(kāi)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(duì)通過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn)，五邊形石墨烯具有罕見(jiàn)的負(fù)泊松比效應(yīng)，即當(dāng)一個(gè)方向受到拉伸應(yīng)變時(shí)，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(shí)，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(xiàng)研究極大地豐富了人們對(duì)碳結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。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(lái)，可望在納米尺度的電子和機(jī)械器件中找到廣泛的用途。