日本築波大學數理物質系的丸山實那助教和岡田晉教授、築波大學研究生院理工情報生命學術院博士一年級的藤井康丸等人組成的研究團隊，從理論上預測了透過組合五個碳原子呈環狀結合的「五角金剛石」三維碳晶體的可能性。另外，基於量子力學的物理可用能性能類比顯示，這種物質比金剛石更輕更堅固。
石墨和金剛石等碳晶體長期以來始終是基礎科學和應用科學的研究物件。這些晶體的碳原子間的化學鍵非常強，作爲同時具備高機械韌性和穩定性的功能性材料廣受關注。
此次，研究團隊從幾何學角度預測，透過共用由碳原子構成的五角形（五員環）的邊，能構築對稱非常高的三維碳共價鍵網路，並將其命名爲「五角金剛石」。研究發現，五角金剛石是一種極爲堅固的碳晶體，楊氏模數和剪切彈性遠遠高於金剛石，是極爲堅固的碳同素異形體。另外還應答，五角金剛石具有負帕松比，針對外力可能會表現出與普通物質相反的結構響應特性。
這個結果表明，五角金剛石是有望在高硬度結構材料和壓電材料等非常廣泛的領域作爲功能性材料應用的物質。
研究背景
衆所周知，由於碳的鍵合形式多種多樣，石墨和金剛石等碳晶體存在非常多的結構，而且其物理可用能性能高度取決於形狀。另外，很多晶體由於碳原子之間的共價鍵非常牢固，作爲輕量高硬度的材料受到了關注。
研究團隊此前透過實驗合成了大量晶體結構不同的碳，並從理論上進行了預測。已知其中很多碳晶體針對某種特定變形擁有超過金剛石的高彈性模數，但幾乎沒發現有整體都表現出高彈性模數的碳晶體，其合成和預測備受期待。
研究内容與成果
該研究團隊從幾何學角度預測，透過全部共用由碳原子構成的五角形的邊（圖1），能構築對稱非常高的三維碳共價鍵網路，並將其命名爲五角金剛石（圖2）。五角金剛石的質量密度（2.26g/cm3）只有金剛石的60％左右，是非常輕的三維碳晶體，由四配位和三配位的碳原子構成。
圖1：共用五角金剛石的構成要素——五角形邊結構
圖2：五角金剛石的結構。
白圈表示與四個相鄰的碳原子鍵合的碳原子，黑圈表示與三個相鄰的碳原子鍵合的碳原子。
另外，研究團隊還對這種五角金剛石實施了基於量子力學的物理可用能性能類比，應答五角金剛石是穩定的碳晶體候選物質。此外，彈性模數解析顯示，五角金剛石擁有金剛石80％的體積彈性模數、1.3倍的楊氏模數和1.8倍的剪切彈性模數，對於拉伸和扭曲等各向異性結構變形，具有遠遠高於金剛石的韌性。
另外研究團隊還發現，五角金剛石具有負帕松比，對拉伸和壓縮表現出奇妙的力學反應，即垂直度方向的截面增加或減量。此外，這種負帕松比表明，五角金剛石在現有物質中擁有最快的物質中音速。
未來展望
預測具有穩定的能量結構表明，將來有望合成新的碳晶體。這能促進碳物質科學的進一步隊形變換。
另外，五角金剛石的輕質和高韌性表明其可應用於新的高硬度材料，有望開發採用五角金剛石的耐衝擊材料。此外，從負帕松比來看，還有望應用於壓電材料等利用結構變形的新功能性材料。
論文資訊
題目：Pentadiamond:A Hard Carbon Allotrope of a Pentagonal Network of sp2 and sp3 C Atoms
期刊：《Physial Review Letters》
URL：journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.016001
文：JST客觀日本編輯部
