Гекса и Пента
Общим элементом структуры большинства углеродных наноматериалов – нульмерных (фуллерены), одномерных (нанотрубки) и двумерных (графен) – являются шестиугольники (гексагоны) из связей С-С. В фуллеренах и нанотрубках наряду с шестиугольниками присутствуют также пятиугольники (пентагоны). Например, в фуллерене С60 двадцать гексагонов соседствуют с двенадцатью изолированными друг от друга пентагонами. По мере уменьшения размера фуллеренов количество гексагонов в них уменьшается, а количество пентагонов остается неизменным. В самом маленьком фуллерене С20 [1] нет ни одного гексагона, он состоит из 12 граничащих друг с другом пентагонов. Наличие в фуллеренах пентагонов с общими сторонами энергетически невыгодно, поэтому фуллерен С20 термодинамически неустойчив. Тем не менее он способен сохранять свою структуру даже при очень высокой температуре [2], что объясняется существованием на поверхности потенциальной энергии высоких барьеров, которые отделяют метастабильную конфигурацию фуллерена С20 от устойчивых атомных конфигураций с более низкой энергией.
Графен состоит исключительно из гексагонов. Если в нем и встречаются пентагоны, то лишь как топологические дефекты. Возникает вопрос: а можно ли (по аналогии с фуллереном С20) сконструировать двумерную наноструктуру из одних пентагонов, не прибегая к услугам гексагонов? Расчеты из первых принципов показали, что – да, можно [3]. Авторы назвали такую наноструктуру пентаграфеном (рис. 1).

Рис. 1. Пентаграфен. Вид сверху и сбоку.
Пентагафен состоит из трех параллельных друг другу подрешеток. В одной из них (центральной) расположены sp3 гибридизованные атомы с четырьмя ближайшими соседями у каждого (как в алмазе), а в двух других – sp2 гибридизованные атомы с тремя соседями (как в графене). Расстояние между соседними подрешетками в поперечном направлении составляет 0.6 Å, так что толщина слоя пентаграфена оказывается равной 1.2 Å.
Энергия пентаграфена на ~ 1 эВ/атом больше, чем у графена, то есть он неустойчив относительно трансформации в графен. Из этого авторы работы [4] делают вывод, что экспериментально пентаграфен изготовить нельзя. Однако остается возможность существования пентаграфена в метастабильном состоянии (подобно фуллерену С20). Здесь вопрос заключается в том, сколь долго такое состояние сможет продержаться при конечной температуре и каков механизм его разрушения.

Рис. 2. Первый дефект

Рис. 3. Полное разупорядочение
Выполненное методом молекулярной динамики численное моделирование временнóй эволюции нагретого до различных температур пентаграфена показало [5], что разрушение его структуры всегда начинается с образования двух смежных восьмиатомных колец (рис. 2), которые появляются в результате поворота одной из связей С-С на угол 450 – в два раза меньше, чем при трансформации Стоуна-Уэльса в графене. Этот дефектный участок не остается локализованным (как точечные дефекты в графене), а быстро увеличивается в размерах за счет разрыва все новых и новых связей С-С. Таким образом, после возникновения в пентаграфене всего лишь одного дефекта процесс разупорядочения его структуры становится необратимым и очень быстро охватывает весь образец (рис. 3). Время t, необходимое для образования первого дефекта, увеличивается при понижении температуры и уменьшении размеров образца. Оценки показывают, что для образца площадью ~ 1 мм2 это время составляет ~1 нс при T = 500 К и около суток при комнатной температуре.

Рис. 4. Пентарубка
Еще одним фактором, затрудняющим экспериментальное изготовление пентаграфеновых пленок, являются нескомпенсированные механические напряжения, обусловленные специфической атомной структурой пентаграфена и приводящие к сильному изгибу плоских слоев на стадии их роста [6]. В итоге вместо пленок получаются пентатрубки (Рис. 4). Что с этим делать, пока не ясно.
1. H.Prinzbach et al., Nature 407, 60 (2000).
2. И.В.Давыдов и др., ФТТ 47, 751 (2005).
3. S.Zhang et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112, 2372 (2015).
4. C.P.Ewels et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112, 15609 (2015).
5. Л.А.Опенов, А.И Подливаев, Письма в ЖЭТФ 107, 746 (1918).
6. P.Avramov et al., J. Phys. Chem. Lett. 6, 4525 (2015).