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五边形石墨烯:碳的一种新同素异形体

北京大学应用物理与技术研究中心王前教授课题组及其合作者曾于2013年在美国科学院院刊Proceedings of National Academy of Science (PNAS)上发表了常温常压下三维金属碳论文,当时引起了学术界很大反响。2015年新年伊始,他们又在PNAS上发表了题为 “Penta-graphene: A New Carbon Allotrope” 的研究论文(http://www.pnas.org/content/112/8/2372.abstract)。这种新发现的以碳五元环为结构基元构成的二维结构,可望成为一种全新的碳材料;一旦制备出来,可能在纳米尺度的电子和机械器件中找到广泛的用途,因此引起了“维基百科”等很多科学网站的报道和评论。

碳材料是材料科学研究的前沿。碳原子由于其独特的电子构型和较小的原子半径,成键与杂化方式灵活多样,因此具有多种结构和性能迥异的同素异形体。从古老的石墨、金刚石到新近发现的富勒烯、碳纳米管和石墨烯乃至石墨炔,碳材料的研究不仅促进了材料科学的发展,也推动了高压技术和纳米技术的进步,探索发现新的碳结构是碳材料研究的热点问题之一。 1996年的诺贝尔奖授予了三位发现C60富勒烯的科学家,2010年的诺贝尔奖授予了二位发现碳的二维新结构-石墨烯的科学家。 从结构上看,C60是由20个碳六元环和12个碳五元环连接而成的足球状空心笼子;而石墨烯是以碳六元环为单一结构基元而构成的二维单原子层。此前已经发现的碳材料大多是以碳六元环作为主要结构基元而构成,除最小的富勒烯C20分子以外,仅以碳五元环为结构基元而构成的碳材料尚未发现。

王前课题组及其合作者通过深入的计算模拟研究发现,只用碳五元环也可以构成准二维的亚稳碳结构,其投影类似于一种名为“开罗五边形瓷砖”(Cairo pentagonal tiling)的装饰图案,他们将这一新的二维结构命名为“penta-graphene”(五边形石墨烯)。作者们提出:五边石墨烯具有罕见的负泊松比效应,即当一个方向受到拉伸应变时,其垂直方向具有扩张效应,这与普通材料具有收缩效应是不同的;在承受双轴拉伸应变时,它具有可与石墨烯媲美的超高力学强度。同样重要的是,五边石墨烯具有一个大的内秉带隙,因而不需要象石墨烯那样通过化学或物理的修饰来打开带隙。此外,这种五边石墨烯不仅可以卷成以五元碳环为结构基元的半导体碳纳米管,而且还可以堆叠成稳定的三维碳块体结构,且这种三维碳材料具有比碳T12相更大的带隙和较大的体弹性模量。这些新颖的性质是与五边形石墨烯独特的原子构型密切相关的。这一发现丰富了人们对碳结构的认识;一旦合成出来,五边形石墨烯可望在纳米尺度的电子和机械器件中找到广泛的用途。
“Penta-graphene” 这一新型的碳同素异形体已被“维基百科”收录:http://en.wikipedia.org/wiki/Penta-graphene;PNAS的新闻网站将该研究工作选为亮点作了重点报道:http://www.pnas.org/site/media/current.xhtmlhttp://chinese.eurekalert.org/en/pub_releases/2015-02/aaft-sso013015.php
MaterialsToday的新闻记者对王前进行了采访,并发表了专题评述: http://www.materialstoday.com/carbon/comment/flatpacked-pentagonal-carbon/. 该研究工作已引起了媒体和同行的广泛关注,Science Daily,Science Newsline,Science Alert,Scientists Say,Physics News,Physics Today,Phys.org,New Materials News,Daily Nano News,Nanowerk News等诸多科学网站对此进行了报道。

该论文的第一作者是北京大学应用物理与技术研究中心的博士研究生张顺洪同学,通讯作者是王前教授。论文合作者包括中科院上海技术物理研究所陈效双研究员、日本东北大学金属材料研究所Yoshiyuki Kawazoe教授,美国弗吉尼亚联邦大学物理系周健博士和Puru Jena教授。该研究工作得到了国家自然科学基金、973重大基础研究项目、以及教育部博士点基金的资助。


Credit: Qian Wang,Center for Applied Physics and Technology Peking University, China


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