以Ti3C2Tx為代表的二維過渡金屬氮化物和碳化物 (MXenes)由於其獨特的物理和化學性質，在柔性電子、機電裝置和結構膜等領域有著廣泛的應用。儘管理論上預測二維Ti3C2Tx的楊氏模量為0.502 TPa，但由於測量非常有限，迄今尚未得到實驗證實。
來自華東理工大學的研究人員透過最佳化樣品製備、切割和轉移方案，利用奈米力學推拉裝置在掃描電鏡下對單層Ti3C2Tx奈米片進行了直接原位拉伸測試。有效楊氏模量為0.484±0.013 TPa，比之前有爭議的奈米壓痕法得到的0.33 TPa更接近於理論值0.502 TPa，實測彈性剛度為~948 N/m。在拉伸載入過程中，Ti3C2Tx單層材料的平均彈性應變為~3.2%，抗拉強度高達~15.4 GPa。這項工作糾正了以前的奈米壓痕方法的報道，並證明了Ti3C2Tx確實具有廣泛的應用潛力。
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https://doi.org/10.1038/s41467-024-45657-6
二維過渡金屬碳化物和氮化物，被稱為MXenes，是一類新興的二維層狀材料，由於其優異的金屬導電性、親水性、分散穩定性和柔韌性而受到廣泛關注。自2011年Yury等人發現第一個MXene (Ti3C2Tx)以來，其物理和化學性質的交叉組合促進了各種應用的廣泛研究，包括柔性電子，超級電容器，催化，感測器，航空航天和微/奈米機電裝置。考慮到二維MXenes在實際應用中可能會發生拉伸、彎曲和扭轉，從而導致效能下降，因此對MXenes的力學效能進行研究是必要的。迄今為止，僅有少量的理論和實驗研究對MXenes的力學效能進行了研究。透過原位透射電鏡拉伸測試，40 nm厚度的多層Ti3C2Tx薄膜的力學效能可達到670 MPa。然而，這些報道的多層Ti3C2Tx的拉伸強度明顯低於20 GPa的理論預測，由於單層二維薄片之間的弱相互作用，不能反映真實的力學效能。因此，單層Ti3C2Tx奈米片的力學效能應該從最小的組分單元本身進行研究，這是設計Ti3C2Tx基材料結構穩定性和效能提升的關鍵。
由於單層Ti3C2Tx奈米片的奈米級厚度，其力學效能的定量測量極具挑戰性。Lipatov等人利用原子力顯微鏡 (AFM) 對單層Ti3C2Tx進行了奈米壓痕力學測試，他們報告了有效楊氏模量為330 GPa (理論預測值502 GPa)。然而，由於受到Ti3C2Tx奈米片橫向區域性測試區域壓頭尖端尺寸的限制，會產生高度不均勻的應力場和應變場。壓頭位置的不同以及樣品中存在的內應力會導致結果的不確定性很大。雖然AFM奈米壓痕方法已經被用於測量二維材料，如石墨烯和h-BN的力學效能，但這些單層材料只有一個原子層，而單層Ti3C2Tx的主體有五個原子層。由於AFM方法垂直於二維Ti3C2Tx的基面，接觸AFM探針的原子層可能會偏離正常排列的原子結構，導致原子嚴重錯排，從而導致應力場不均勻。因此，用AFM奈米壓痕法精確測量單層Ti3C2Tx奈米片的力學效能是困難的。因此，迫切需要一種可靠、直接、定量的方法來測量單層Ti3C2Tx奈米片的力學效能。透過單軸拉伸試驗，可以直接在二維材料平面上進行均勻載入，這也是研究Ti3C2Tx力學效能最有效的方法。
在這項工作中，研究團隊製備了高質量的大尺寸單層Ti3C2Tx奈米片，並使用精確控制聚焦離子束切割技術和改進的幹轉移技術將其固定在奈米力學測試平臺“推拉”裝置上進行原位拉伸實驗。測定了單層Ti3C2Tx奈米片的楊氏模量和拉伸強度。同時，透過分子動力學模擬理論建模計算對實驗資料進行了驗證。總的來說，這項工作為機械剝離產生的其他二維材料的奈米力學測試提供了一種有效的策略，併為需要特殊機械效能的材料 (如基於Ti3C2Tx的柔性電子器件) 的廣泛應用提供了指導。
綜上所述，這項研究成功地利用PTP奈米機械裝置在SEM中實現了獨立單層Ti3C2Tx奈米片的原位力學拉伸測試。與AFM奈米壓痕測試的橫向區域性測試相比，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的力學效能。單層Ti3C2Tx的楊氏模量為483.5±13.2 GPa，接近理論預測值502 GPa。結果表明，Ti3C2Tx奈米片呈現脆性斷裂，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±1.92 GPa) 與理想斷裂強度 (~18.4 GPa) 的差異主要是由於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。透過分子動力學模擬量化了邊緣缺陷對斷裂強度的影響，透過調節單層Ti3C2Tx奈米片的邊緣狀態可以提高其工程斷裂強度。
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。感謝論文作者團隊支援。
