MXenes（二維過渡金屬碳化物和氮化物）是一類自2011年被發現以來就引起廣泛關注的二維材料。它們具有優異的金屬導電性、親水性、分散穩定性和柔韌性。這些特性使得MXenes在柔性電子、超級電容器、催化劑、傳感器、航空航天以及微納電子機械系統等領域展現出廣泛的應用潛力。盡管MXenes的物理和化學性質已經被廣泛研究，但關于它們的力學性質，尤其是單層MXene的彈性特性和拉伸強度的研究卻相對有限。這是因為單層MXene的納米級厚度給實驗測量帶來了極大的挑戰。以往的研究多集中在多層MXene薄膜的力學性質上，但這些研究結果并不能準確反映單層MXene的真實力學性能。此外 MXenes在實際應用中可能經歷的拉伸、彎曲和扭轉過程，也可能導致性能下降。盡管理論預測二維Ti3C2Tx的楊氏模量高達0.502TPa，但由于測量難度，這一理論值尚未得到實驗驗證。此外，先前使用原子力顯微鏡（AFM）納米壓痕法測量得到的楊氏模量（約330GPa）與理論值存在顯著差異。因此研究者需要一種更可靠、直接和定量的方法來測量單層Ti3C2Tx納米片的力學性質。為了解決上述的科學問題，華東理工大學軒福貞教授、張博威教授、閆亞賓教授、朱明亮教授等人在Nature Communications 上發表了題為 “Elastic properties and tensile strength of 2D Ti3C2Tx MXene monolayers” 的研究論文。該團隊通過單軸原位拉伸試驗，可以直接在二維材料平面上進行均勻加載，這也是研究Ti3C2Tx力學性能最有效的方法。研究團隊采用精確控制的聚焦離子束切割技術和改進的干轉移技術將高質量的大尺寸單層Ti3C2Tx納米片固定在納米力學測試平臺“Push-To-Pull”(PTP)上進行原位拉伸實驗，測定了單層Ti3C2Tx納米片的機械性能，取代了之前使用AFM納米壓痕法的測量結果，正確測量的楊氏模量為0.484±0.013TPa。同時，通過分子動力學模擬理論建模計算對實驗數據進行了驗證。總的來說，這項工作為機械剝離產生的二維材料納米力學測試建立了一種有效的策略，并為需要特殊機械性能的材料（如基于Ti3C2Tx的柔性電子器件）的廣泛應用提供了指導。 1，通過獨特的干轉移策略和精準的Pt沉積技術，實現了單層納米片的成功轉移，得到了固定在PTP測試芯片上的樣品，為后續機械性質的測量奠定了基礎。2，結合STEM和分子模型測定了被測樣品的厚度，并通過TEM證明了被測樣品的單晶性質和高質量，為楊氏模量、抗拉強度的計算提供了重要參數。3，通過對比拉伸前后截圖，得到彈性應變數值。基于傳感器輸出的力-位移曲線，計算出遠超AFM壓痕法的楊氏模量結果，最接近理論預測值，糾正了之前的實驗測量值。4，利用分子動力模擬定量分析邊緣缺陷對機械性能的影響，得到多種實際情況下的抗拉強度數值，為材料的工程應用提供了思路。圖1. 利用PTP裝置實現對單層Ti3C2Tx納米片的原位拉伸測試圖2. 單層Ti3C2Tx納米片成功轉移到PTP（Push-to-Pull）裝置上的關鍵步驟，這是進行原位納米力學測試的重要環節。 圖3. 單層Ti3C2Tx納米片在PTP（Push-to-Pull）納米力學裝置上的固定和FIB切割成型過程，以及用STEM結合分子模型測定厚度。圖4. 單層Ti3C2Tx納米片的原位拉伸實驗，以研究其彈性特性和拉伸強度。 圖5. 含邊緣缺陷的不同寬度Ti3C2Tx單層材料斷裂強度的MD模擬。綜上所述，這項研究成功地利用PTP納米機械裝置在SEM中實現了獨立單層Ti3C2Tx納米片的原位力學拉伸測試。與AFM納米壓痕測試的橫向局部測試相比，PTP裝置可以實現樣品在平面上的均勻拉伸，能夠可靠地測量單層Ti3C2Tx的力學性能。單層Ti3C2Tx的楊氏模量為483.5±13.2GPa，接近理論預測值502GPa。結果表明，Ti3C2Tx納米片呈現脆性斷裂，平均彈性應變為~3.2%，為Ti3C2Tx在彈性應變工程中的應用提供了契機。實驗測得有效斷裂強度 (15.4±1.92GPa) 與理想斷裂強度 (~18.4GPa) 的差異主要是由于試樣的邊緣原子級缺陷造成的，這種差異隨著試樣寬度尺度的增大而減小。通過分子動力學模擬量化了邊緣缺陷對斷裂強度的影響，通過調節單層Ti3C2Tx納米片的邊緣狀態可以提高其工程斷裂強度。
文獻信息：
Chao Rong, Ting Su, Zhenkai Li, Tianshu Chu, Mingliang Zhu, Yabin Yan,* Bowei Zhang* & Fu-Zhen Xuan*. Elastic Properties and Tensile Strength of 2D Ti3C2Tx MXene Monolayers. Nature Communications 2024, 15, 1566.
https://www.nature.com/articles/s41467-024-45657-6
