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　　王前課題組在碳材料研究中取得新進展

　　北京大學(xué)工學(xué)院應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心王前">王前教授課題組及其合作者最近在二維碳材料研究方面取得新進展。美國科學(xué)院院刊Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)近日在線發(fā)表了他們題為 “Penta-graphene: A New Carbon Allotrope” 的研究論文，報道了他們模擬合成的一種稱為五邊形石墨烯的碳的新同素異形體，并將此工作先后選入了PNSA 的“New & Newsworth”和“In This Issue” 欄目, 發(fā)表了專題評述。

　　碳材料是材料科學(xué)研究的前沿。碳原子由于其獨特的電子構(gòu)型和較小的原子半徑，成鍵與雜化方式靈活多樣，因此具有多種結(jié)構(gòu)和性能迥異的同素異形體。從古老的石墨、金剛石到新近發(fā)現(xiàn)的富勒烯、碳納米管和石墨烯乃至石墨炔，碳材料的研究不僅促進了材料科學(xué)的發(fā)展，也推動了高壓技術(shù)和納米技術(shù)的進步，探索發(fā)現(xiàn)新的碳結(jié)構(gòu)是碳材料研究的熱點問題之一。 1996年的諾貝爾獎授予了三位發(fā)現(xiàn)C60富勒烯的科學(xué)家，2010年的諾貝爾獎授予了二位發(fā)現(xiàn)碳的二維新結(jié)構(gòu)-石墨烯的科學(xué)家。從結(jié)構(gòu)上看，C60是由20個碳六元環(huán)和12個碳五元環(huán)連接而成的足球狀空心籠子;而石墨烯是以碳六元環(huán)為單一結(jié)構(gòu)基元而構(gòu)成的二維單原子層。此前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的碳材料大多是以碳六元環(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">王前課題組及其合作者通過深入的計算模擬研究發(fā)現(xiàn)，只用碳五元環(huán)也可以構(gòu)成穩(wěn)定的準(zhǔn)二維碳結(jié)構(gòu)，其投影類似于一種名為“開羅五邊形瓷磚”(Cairo pentagonal tiling)的裝飾圖案，他們將這一新的二維結(jié)構(gòu)命名為“penta-graphene”(五邊形石墨烯)。五邊形石墨烯具有獨特的性質(zhì)，如具有罕見的負(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)強度。同樣重要的是，五邊形石墨烯是半導(dǎo)體，具有一個大的內(nèi)秉帶隙，因而不需要象石墨烯那樣通過化學(xué)或物理的修飾來打開帶隙。此外，這種五邊形石墨烯不僅可以卷成以碳五元環(huán)為結(jié)構(gòu)基元的半導(dǎo)體碳納米管，而且還可以堆疊成穩(wěn)定的三維碳塊體結(jié)構(gòu)，且這種三維碳材料具有比碳T12相更大的帶隙和較大的體彈性模量。這些新穎的性質(zhì)是與五邊形石墨烯獨特的原子構(gòu)型密切相關(guān)的。這一發(fā)現(xiàn)豐富了人們對碳結(jié)構(gòu)的認(rèn)識;一旦合成出來，五邊形石墨烯可望在納米尺度的電子和機械器件中找到廣泛的用途。

　　五邊形石墨烯由于其新穎的結(jié)構(gòu)和獨特的性質(zhì)，起了媒體和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注：“Penta-graphene” 這一新型的碳同素異形體已被Wikipedia(維基百科)收錄;許多國際著名學(xué)術(shù)機構(gòu)對該工作進行了專題報道，如美國物理學(xué)會的 Physics Today(Predicting pentagonal graphene)，英國皇家化學(xué)學(xué)會的 Chemistry World (Calculations predict pentagonal graphene)，世界著名出版公司 Elsevier 的 Materials Today (Flat-packed pentagonal carbon)，德國WILEY-VCH科學(xué)出版社的 Chemistry Views(Penta-graphene); 諸多科學(xué)媒體和網(wǎng)站如：Science Daily，Science Newsline，Science Alert， Physics News，Phys.org，New Materials News，Daily Nano News，Scientists Say等對此工作也進行了報道。

　　該論文的第一作者是北京大學(xué)應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心的博士研究生張順洪同學(xué)，通訊作者是王前">王前教授。論文合作者包括中科院上海技術(shù)物理研究所陳效雙研究員，美國弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)物理系周健博士和Puru Jena教授日本東北大學(xué)金屬材料研究所Yoshiyuki Kawazoe教授。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、973重大基礎(chǔ)研究項目、以及教育部博士點基金的資助。

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