在材料工程領(lǐng)域，強(qiáng)度與韌性往往難以兼得，這一問(wèn)題長(zhǎng)期制約著新材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。近日，香港理工大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)系研究團(tuán)隊(duì)提出一項(xiàng)創(chuàng)新解決方案——通過(guò)“扭轉(zhuǎn)工程”調(diào)控二維材料的雙層結(jié)構(gòu)，在不犧牲其原有強(qiáng)度的前提下顯著提升韌性。相關(guān)成果已發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊《自然·材料》（Nature Materials）。

研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人趙炯教授

二維材料因其高強(qiáng)度、低厚度及優(yōu)異的電氣性能，被廣泛應(yīng)用于柔性電子、光電器件、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。然而，其“強(qiáng)度高、韌性差”的特性也成為限制其進(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸。以往為了提升韌性，往往需要引入缺陷如空位或晶界，但這類(lèi)方式會(huì)破壞材料本身的電子性能，造成力學(xué)與功能難以兼顧。

理大團(tuán)隊(duì)以過(guò)渡金屬二硫化物（TMD）材料為對(duì)象，如二硫化鉬（MoS₂）與二硫化鎢（WS₂，探索其雙層結(jié)構(gòu)在“扭轉(zhuǎn)”狀態(tài)下的斷裂行為。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)特定角度的扭轉(zhuǎn)后，雙層之間的晶格錯(cuò)配會(huì)在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中形成“互鎖”路徑，并在初次斷裂后實(shí)現(xiàn)晶界自組裝。這一過(guò)程展現(xiàn)出“裂紋自愈合”效應(yīng)，不僅能抑制裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，還能有效緩解局部應(yīng)力集中，從而增強(qiáng)整體韌性。

原位STEM觀察扭轉(zhuǎn)雙MoS₂的斷裂過(guò)程

這一機(jī)制已通過(guò)原位透射電子顯微鏡觀察和納米壓痕實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。研究顯示，在斷裂過(guò)程中，材料內(nèi)部會(huì)消耗更多能量用于調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和自愈反應(yīng)，這種能量的額外消耗換來(lái)了更高的抗裂能力。通過(guò)調(diào)控扭轉(zhuǎn)角度，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)韌性增強(qiáng)程度的精細(xì)調(diào)節(jié)。

原子尺度原位STEM結(jié)果揭示了裂紋擴(kuò)展過(guò)程中晶界的形成和斷裂過(guò)程

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人趙炯教授表示，此項(xiàng)研究突破了傳統(tǒng)斷裂力學(xué)的范式，首次從實(shí)驗(yàn)和理論上證實(shí)了二維材料中的“自主損傷抑制”機(jī)制，為開(kāi)發(fā)兼具高強(qiáng)度與高韌性的下一代二維材料提供了新的設(shè)計(jì)思路。他指出，這也意味著“扭電子學(xué)”這一近年新興研究方向，正逐步從調(diào)控電子性質(zhì)，拓展到材料的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能設(shè)計(jì)中。

隨著二維扭曲材料制備技術(shù)的日趨成熟，該研究有望推動(dòng)新一代智能材料的發(fā)展，不僅具備優(yōu)異的力學(xué)性能，同時(shí)也具備獨(dú)特的電學(xué)與光學(xué)特性，在柔性電子、能源轉(zhuǎn)換、量子科技、仿生傳感等前沿領(lǐng)域展現(xiàn)廣闊應(yīng)用前景。

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