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構的碳材料。日前，北京大學應用物理與技術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。與由碳六元環所構成的石墨烯不同，這種碳的新同素異形體是以純碳五元環為結構基元構成的二維結構，并具有可與石墨烯媲美的優異性質。該研究成果近日發表在《美國科學院院刊》上。

    碳材料一直被認為是材料科學研究的前沿。此前已經發現的碳材料和碳納米結構大多是以碳六元環作為主要結構基元而構成，除最小的富勒烯C20分子以外，僅以碳五元環為結構基元而構成的碳材料尚未發現。王前團隊發現只用碳五元環也可以構成二維的碳結構，打破了碳材料中的“孤立五邊形規則”，并用分子動力學模擬證明了五邊形石墨烯是熱穩定的，可以承受高達1000K的溫度。

    五邊形石墨烯具有新穎的結構，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剝離技術從一種稱為T12相的碳同素異形體得到。

    王前團隊通過深入研究發現，五邊形石墨烯具有罕見的負泊松比效應，即當一個方向受到拉伸應變時，其垂直方向具有擴張效應，這與普通材料具有收縮效應是不同的；在承受雙軸拉伸應變時，它具有可與石墨烯媲美的超高力學強度。因此五邊形石墨烯具有特殊的物理機械性能，如具有比石墨烯更好的抗斷裂性能和回彈韌性，以及抗負荷能力等，可應用于隔音材料和緩沖材料。

    王前認為，這項研究極大地豐富了人們對碳結構的認識。五邊形石墨烯可應用于輕質半導體薄膜器件，應變放大器等。一旦合成出來，可望在納米尺度的電子和機械器件中找到廣泛的用途。