Пента-графен удивляет своими свойствами

Международная команда исследователей из США, Китая и Японии создала новый структурный вариант углеродного материала, который представляет собой сверхтонкий лист чистого углерода, похожий на графен. Обычный графен представляет собой лист из атомов углерода, образующих шестиугольники. В новом материале атомы углерода формируют  пятиугольники, поэтому его назвали пента-графеном. Несмотря на, казалось бы, незначительное отличие в структуре, "пятиугольный" пента-графен имеет собственные уникальные свойства, которыми не обладает "шестиугольный" графен.

Новый материал был создан целенаправленно, а на открытие ученых вдохновила… тротуарная плитка. Профессор  Цянь Ван (Qian Wang) из Пекинского университета обедала в ресторане с мужем, когда заметила на стене картину, состоящую из пятиугольников, которые известны, как "Каирская мозаика". Это особый рисунок из пятиугольников, который встречается на тротуарной плитке в египетском Каире, откуда и пошло название. Ученые задумались: нельзя ли повторить подобный рисунок в лаборатории — с атомами графена? В итоге было проведено компьютерное моделирование, которое показало, что простая форма углерода, пента-графен, обладает рядом необычных свойств.

Каирская тротуарная плитка, которая вдохновила ученых на поиски пента-графена

В настоящее время известны три уникальные формы углерода: фуллерены ("коробочки" из атомов углерода), графен (листы  толщиной в один атом углерода) и углеродные нанотрубки (графен, свернутый в трубочку).  Пента-графен стал четвертым материалом из этой группы, обладающим своими собственными уникальными свойствами.

Прежде всего пента-графен имеет экстремальные механические характеристики: он выдерживает нагрев до температуры более 700 градусов Цельсия и при этом сохраняет высокую прочность. Кроме того, при растяжении он расширяется во всех направлениях, в то время как графен ведет себя, как обычный материал и увеличивается в длину, сокращаясь в ширину.

Свойством расширятся во всех направлениях при растяжении обладают только особые материалы — ауксетики. Обычно это полимеры, имеющие отрицательный  коэффициент Пуассона, то есть  отношение поперечного сжатия к продольному растяжению. Подобные свойства могут быть полезны, например, в медицинских приложениях.

Если свернуть пента-графен в трубку, то в отличие от графеновых, такие нанотрубки будут не обычными проводниками, а полупроводниками. Таким образом, пента-графен в сочетании с графеном теоретически позволяет создавать разнообразные неметаллические электронные устройства нового поколения — с низким энергопотреблением, выдерживающие высокие температуры и ударные нагрузки.

Пента-графен имеет огромный потенциал

Компьютерное моделирование указывает на то, что пента-графен будет механически очень стабилен, то есть сможет сохранять свои уникальные свойства длительное время. Однако пока перед учеными стоит вопрос: как изготовить пента-графен и научиться производить его в промышленных масштабах? К сожалению, последняя проблема не решена даже для обычного графена, который был впервые получен в лаборатории в 2004 г. Будем надеяться, что "углеродная революция" все-таки не за горами, и новые формы углерода помогут человечеству перейти на принципиально новый технологический уровень.