北京大学材料科学与工程学院王前教授课题组长期致力于新型碳材料的模拟设计及其性能研究。自2015年课题组提出碳的二维新型同素异形结构“penta-graphene（五边形石墨烯）”【Proc. Natl. Acad. Sci. 112, 2372 (2015)】以来，五边形石墨烯不仅因其独特的几何构型和新奇的性质受到广泛关注，而且为其它五边形二维材料的设计提供了新的原子结构模型。迄今为止，提出了130余种以五边形为结构单元的二维新材料，其中，采用实验方法合成了五边形二硒化钯、五边形二氮化镍及五边形硅烯纳米带等。

在新兴的五边形二维材料领域，王前课题组取得了一系列研究进展：揭示了五边形石墨烯与石墨烯相比具有低晶格热导的物理机理【Carbon105, 424 (2016)】，展现了五边形石墨烯在场效应管中的应用前景【Appl. Phys. Lett. 111, 073503(2017)、ACS Appl. Electron. Mater. 2, 2535 (2020)】，理论预测了具有高居里温度铁磁性的五边形二维材料【Appl. Surf. Sci. 505, 144620 (2020)，该论文被Advances in Engineering选为Key Scientific Article】，提出了稳定五边形硅烯的物理机理与方法【Phys. Rev. Appl. 11, 064063 (2019)】，阐明了五边形二维材料中出现强二次谐波产生极化率的机理【Adv. Theory Simul.3, 202000027 (2020)】、提出了在五边形二维材料中实现本征压电性【J. Phys. Chem. Lett. 11 3501 (2020)】和实现内禀极化的新架构【npj Comput. Mater. 8, 40 (2022)】等等。

由于在五边形二维材料领域所做出的开拓和引领性研究工作，王前课题组应邀撰写了题为“Research Progress on Penta-Graphene and its Related Materials” 和“Pentagon-Based 2D Materials: Classification, Properties and Applications”的综述文章，近日分别发表于Nano Today和Physics Reports。前者侧重于五边形石墨烯及其衍生体系、单组元五边形二维结构，总结了五边形石墨烯新奇的性质，包括负泊松比、高理想强度、压电性、光学、热输运以及不同理论方法计算对其电子能带结构和电子迁移率的研究等，概述了五边形石墨烯衍生物，如五边形碳纳米带、纳米管、多层五边形石墨烯及以五边形为结构基元的三维类金刚石材料（如图一所示），以及同族元素硅、锗形成的五边形二维材料的物理化学性质及应用前景。而后者侧重于二元和三元五边形二维材料的数学模型、分类、特性及其应用，根据五边形二维材料的几何结构及其空间群对称性，我们将迄今为止发现的130余种五边形二维材料分为三大类，即以penta-graphene为代表的α相、以penta-PdSe2为代表的β相和以penta-NiN2为代表的γ相（如图二所示）；并基于“结构-性能”原则，总结了各类材料在力学、电子结构、磁性、晶格热导率、压电性、线性光学、非线性光学、铁弹性等方面的共性与特性；概述了不同相态的五边形二维材料在机械、自旋电子学、催化、微纳电子器件及能源储存与转化领域的应用；对基于五边形二维材料的实验制备、器件设计、团簇基五边形二维材料的设计、先进计算方法的应用等方面也做出了展望。

图1 五边形石墨烯衍生物的构型

图2 五边形二维材料不同构型的分类及每种类别代表性结构的俯视和侧视图

这两篇综述论文全面、系统、深入地总结了自2015年五边形石墨烯提出以来五边形二维材料领域中的重要研究进展，展示了“碳”在材料科学与纳米技术中的领头羊作用。这两篇文章的第一作者分别是王前课题组2020级博士研究生Muhammad Azhar Nazir和2018级博士研究生沈祎恒，通讯作者为王前。

该工作得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委和北京大学高性能计算平台的支持。