Penta-grafen, en ny strukturel variant af kulstof, opdaget

Forskere ved Virginia Commonwealth University og universiteter i Kina og Japan har opdaget en ny strukturel variant af kulstof kaldet "penta-graphene" - en meget tynd plade af rent kulstof, der har en unik struktur inspireret af et femkantet mønster af fliser, der er fundet som brolægning af gaderne i Cairo.

Det nyopdagede materiale, kaldet penta-grafen, er et enkelt lag af kulstof femkanter, der ligner Cairo flisebelægning, og det ser ud til at være dynamisk, termisk og mekanisk stabil.

"De tre sidste vigtige former for kulstof, der er blevet opdaget, var fulleren, nanorøret og grafen. Hver af dem har en unik struktur. Penta-grafen hører til i den kategori, sagde avisens seniorforfatter, Puru Jena, Ph.D., fornem professor ved Institut for Fysik i VCU's College of Humanities and Sciences.

Forskernes papir, "Penta-Graphene:A New Carbon Allotrope, " vil fremgå af journalen Proceedings of the National Academy of Sciences , og er baseret på forskning, der blev lanceret på Peking University og VCU.

Qian Wang, Ph.D., en professor ved Peking University og en adjungeret professor ved VCU, spiste på en restaurant i Beijing med sin mand, da hun lagde mærke til kunstværker på væggen, der forestillede femkantede fliser fra Kairos gader.

"Jeg fortalte min mand, "Komme, se! Dette er et mønster, der kun består af femkanter, " sagde hun. "Jeg tog et billede og sendte det til en af ​​mine elever, og sagde, 'Jeg tror, ​​vi kan klare det her. Det kan være stabilt. Men du skal tjekke det omhyggeligt«. Han gjorde, og det viste sig, at denne struktur er så smuk, men også meget enkel."

De fleste former for kulstof er lavet af sekskantede byggesten, nogle gange afbrudt med femkanter. Penta-grafen ville være en unik to-dimensionel carbon allotrop udelukkende bestående af femkanter.

Sammen med Jena og Wang, avisens forfattere inkluderer Shunhong Zhang, ph.d.-kandidat, fra Peking Universitet; Jian Zhou, Ph.D., en postdoktor ved VCU; Xiaoshuang Chen, Ph.D., fra det kinesiske videnskabsakademi i Shanghai; og Yoshiyuki Kawazoe, Ph.D., fra Tohoku University i Sendai, Japan.

Forskerne simulerede syntesen af ​​penta-grafen ved hjælp af computermodellering. Resultaterne tyder på, at materialet kan overgå grafen i visse applikationer, da det ville være mekanisk stabilt, har meget høj styrke, og være i stand til at modstå temperaturer på op til 1, 000 grader Kelvin.

"Du kender ordsproget, diamanter er for evigt? Det er fordi det kræver meget energi at omdanne diamant tilbage til grafit, " sagde Jena. "Dette vil ligne."

Penta-grafen har flere interessante og usædvanlige egenskaber, sagde Jena. For eksempel, penta-grafen er en halvleder, hvorimod grafen er en leder af elektricitet.

"Når du tager grafen og ruller det sammen, du laver det, der kaldes et kulstof nanorør, som kan være metallisk eller halvledende, " sagde Jena. "Penta-grafen, når du ruller det op, vil også lave et nanorør, men det er altid halvledende."

Måden materialet strækker sig på er også meget usædvanligt, sagde forskerne.

"Hvis du strækker grafen, det vil udvide sig i den retning, det strækkes, men trække sig sammen i den vinkelrette retning." Wang sagde. "Men, hvis du strækker penta-grafen, det vil udvide sig i begge retninger."

Materialets mekaniske styrke, afledt af en sjælden egenskab kendt som Negative Poisson's Ratio, kan have særligt interessante applikationer til teknologi, sagde forskerne.

Penta-grafens egenskaber tyder på, at det kan have anvendelser inden for elektronik, biomedicin, nanoteknologi og meget mere.

Det næste skridt, Jena sagde, er for forskere at syntetisere penta-grafen.

"Når du klarer det, det [vil være] meget stabilt. Så spørgsmålet bliver, hvordan laver du det? I denne avis, vi har nogle ideer. Lige nu, projektet er teoretisk. Det er baseret på computermodellering, men vi tror ganske stærkt på denne forudsigelse. Og når du først har gjort det, det vil åbne op for en helt ny gren af ​​kulstofvidenskab. Todimensionelt kulstof lavet fuldstændigt af femkanter har aldrig været kendt."