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MXenes（二维过渡金属碳化物和氮化物）是一类自2011年被发现以来就引起广泛关注的二维材料。它们具有优异的金属导电性、亲水性、分散稳定性和柔韧性。这些特性使得MXenes在柔性电子、超级电容器、催化剂、传感器、航空航天以及微纳电子机械系统等领域展现出广泛的应用潜力。尽管MXenes的物理和化学性质已经被广泛研究，但关于它们的力学性质，尤其是单层MXene的弹性特性和拉伸强度的研究却相对有限。这是因为单层MXene的纳米级厚度给实验测量带来了极大的挑战。以往的研究多集中在多层MXene薄膜的力学性质上，但这些研究结果并不能准确反映单层MXene的真实力学性能。此外 MXenes在实际应用中可能经历的拉伸、弯曲和扭转过程，也可能导致性能下降。尽管理论预测二维Ti3C2Tx的杨氏模量高达0.502TPa，但由于测量难度，这一理论值尚未得到实验验证。此外，先前使用原子力显微镜（AFM）纳米压痕法测量得到的杨氏模量（约330GPa）与理论值存在显著差异。因此研究者需要一种更可靠、直接和定量的方法来测量单层Ti3C2Tx纳米片的力学性质。为了解决上述的科学问题，华东理工大学轩福贞教授、张博威教授、闫亚宾教授、朱明亮教授等人在Nature Communications 上发表了题为 “Elastic properties and tensile strength of 2D Ti3C2Tx 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Ti3C2Tx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Ti3C2Tx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Ti3C2Tx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±0.013TPa。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Ti3C2Tx的柔性电子器件）的广泛应用提供了指导。 1，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。2，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。3，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。4，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1. 利用PTP装置实现对单层Ti3C2Tx纳米片的原位拉伸测试图2. 单层Ti3C2Tx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。 图3. 单层Ti3C2Tx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。图4. 单层Ti3C2Tx纳米片的原位拉伸实验，以研究其弹性特性和拉伸强度。 图5. 含边缘缺陷的不同宽度Ti3C2Tx单层材料断裂强度的MD模拟。综上所述，这项研究成功地利用PTP纳米机械装置在SEM中实现了独立单层Ti3C2Tx纳米片的原位力学拉伸测试。与AFM纳米压痕测试的横向局部测试相比，PTP装置可以实现样品在平面上的均匀拉伸，能够可靠地测量单层Ti3C2Tx的力学性能。单层Ti3C2Tx的杨氏模量为483.5±13.2GPa，接近理论预测值502GPa。结果表明，Ti3C2Tx纳米片呈现脆性断裂，平均弹性应变为~3.2%，为Ti3C2Tx在弹性应变工程中的应用提供了契机。实验测得有效断裂强度 (15.4±1.92GPa) 与理想断裂强度 (~18.4GPa) 的差异主要是由于试样的边缘原子级缺陷造成的，这种差异随着试样宽度尺度的增大而减小。通过分子动力学模拟量化了边缘缺陷对断裂强度的影响，通过调节单层Ti3C2Tx纳米片的边缘状态可以提高其工程断裂强度。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 Ti3C2Tx MXene Monolayers. Nature Communications 2024, 15, 1566.
https://www.nature.com/articles/s41467-024-45657-6
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