The intrinsic negative Poisson’s ratio effect at the level of molecule in two-dimensional nanomaterials, especially in the perfect planar nanostructures with a single atom thickness, is really rare and has attracted a lot of research interests because of its unique mechanical properties in the nanoscale and extensive applications in mechanical nanodevices. In this work, a novel ideal planar carbon nanostructure (PCNS) framework with a single atom thickness composed by carbon and hydrogen atoms is proposed and studied by means of first-principles density functional calculation. The results showed that the PCNS is, simultaneously, of excellent thermodynamic, molecular dynamic and mechanical stabilities. In addition, the electronic structure, mechanical characters, and optical-electronic characteristics of PCNS are also explored. Excitedly, it is found that the PCNS has a significant negative Poisson’s ratio effect in plane, and the maximum value of Poisson’s ratio is as high as − 2.094. Meanwhile, the material has a wide range of elastic mechanics. Moreover, the PCNS presents an ideal UV absorption performance. It is hoped that this work could be a useful structural design strategy for the development of the ideal 2D carbon-based nanomechanical devices with the intrinsic negative Poisson’s ratio effect and other electronic functions.

본 논문에서는 변형에 의해 유발된 패턴변화(pattern transformation)에 기반하여 압축(compression)과 인장(tension) 하중 모두에서 음의 포아송 비(negative poisson’s ratio)를 나타내는 다공성(porous) 구조를 제안한다. 기존에 개발된 원형 구멍을 이용한 구조는 연결선(ligament)의 회전 모멘트 부족으로 인해 인장 시 양의 포아송 비를 나타내는 한계점이 있었으며, 타원 형 구멍을 이용한 구조는 응력집중 현상으로 인하여 내구성(durability)이 약한 문제점이 있었다. 이에 본 연구에서는 휘어진 연결선의 배열을 통하여 인장하중 하에서의 회전 모멘트를 증가시키는 동시에 응력집중 현상을 완화하고 변형에너지(strain energy)를 구조물 전반에서 고르게 흡수하도록 설계하였다. 이를 통해 10%의 공칭 변형률(nominal strain) 범위 내의 압축 과 인장 모두에서 음의 포아송 비를 가지며, 기존 모델에 비하여 강성(stiffness)과 내구성이 개선된 구조를 개발하였다. 비선 형 유한요소해석을 통하여 기존 타원형 구멍 모델과의 비교를 수행하였으며 제안된 모델이 구조의 강성과 내구성 측면에서 현저히 개선됨을 확인하였다.