【最新科研】二维材料再发Nature子刊！

张明 2024-11-21

二维过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）是一类新兴的二维层状材料，由于其优异的金属导电性、亲水性、分散稳定性和柔韧性而受到广泛关注。Ti3C2Tx MXene物理和化学性质的交叉组合促进了包括柔性电子、传感器、航空航天和微/纳机电设备的研究。

考虑到二维Ti3C2Tx在实际应用中可能会发生拉伸、弯曲和扭转，从而导致柔性器件的性能下降，因此对Ti3C2Tx的力学性能进行研究是必要的，这是设计Ti3C2Tx基柔性传感材料结构稳定性和性能提升的关键。虽然利用原子力显微镜(AFM)可以对单层Ti3C2Tx进行纳米压痕力学测试，然而，由于Ti3C2Tx纳米片横向局域测试受到AFM压头尖端尺寸的限制，会产生高度不均匀的应力场和应变场，压头位置的不同以及样品中存在的内应力会导致测量结果的不确定性增大。因此，单层Ti3C2Tx纳米片的力学性质测量极具挑战，当下迫切需要一种可靠、直接、定量的方法来测量单层Ti3C2Tx纳米片的力学性质。

成果及亮点

为了解决上述的科学问题，华东理工大学轩福贞、张博威、闫亚宾、朱明亮等在Nature Communications 上发表了题为 “Elastic properties and tensile strength of 2D Ti₃C₂T_x MXene monolayers” 的研究论文。该团队通过单轴原位拉伸试验，可以直接在二维材料平面上进行均匀加载，这也是研究Ti₃C₂T_x力学性能最有效的方法。研究团队采用精确控制的聚焦离子束切割技术和改进的干转移技术将高质量的大尺寸单层Ti₃C₂T_x纳米片固定在纳米力学测试平台“Push-To-Pull”(PTP)上进行原位拉伸实验，测定了单层Ti₃C₂T_x纳米片的机械性能，取代了之前使用AFM纳米压痕法的测量结果，正确测量的杨氏模量为0.484±0.013 TPa。同时，通过分子动力学模拟理论建模计算对实验数据进行了验证。总的来说，这项工作为机械剥离产生的二维材料纳米力学测试建立了一种有效的策略，并为需要特殊机械性能的材料（如基于Ti₃C₂T_x的柔性电子器件）的广泛应用提供了指导。

内容解读

图1. 利用PTP装置实现对单层Ti₃C₂T_x纳米片的原位拉伸测试

通过独特的干转移策略和精准的Pt沉积技术，实现了单层纳米片的成功转移，得到了固定在PTP测试芯片上的样品，为后续机械性质的测量奠定了基础。

图2. 单层Ti₃C₂T_x纳米片成功转移到PTP（Push-to-Pull）装置上的关键步骤，这是进行原位纳米力学测试的重要环节

结合STEM和分子模型测定了被测样品的厚度，并通过TEM证明了被测样品的单晶性质和高质量，为杨氏模量、抗拉强度的计算提供了重要参数。

图3. 单层Ti₃C₂T_x纳米片在PTP（Push-to-Pull）纳米力学装置上的固定和FIB切割成型过程，以及用STEM结合分子模型测定厚度

通过对比拉伸前后截图，得到弹性应变数值。基于传感器输出的力-位移曲线，计算出远超AFM压痕法的杨氏模量结果，最接近理论预测值，纠正了之前的实验测量值。

图4. 单层Ti₃C₂T_x纳米片的原位拉伸实验，以研究其弹性特性和拉伸强度

利用分子动力模拟定量分析边缘缺陷对机械性能的影响，得到多种实际情况下的抗拉强度数值，为材料的工程应用提供了思路。

图5. 含边缘缺陷的不同宽度Ti₃C₂T_x单层材料断裂强度的MD模拟

文献信息

Chao Rong, Ting Su, Zhenkai Li, Tianshu Chu, Mingliang Zhu, Yabin Yan,* Bowei Zhang* & Fu-Zhen Xuan*. Elastic Properties and Tensile Strength of 2D Ti₃C₂T_x MXene Monolayers. Nature Communications 2024, 15, 1566.

https://www.nature.com/articles/s41467-024-45657-6

内容来源：科学10分钟

责任编辑：展源

审　　核：何发

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