研究背景
随着对二维过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）的不断研究，这些材料因其卓越的金属导电性、亲水性、分散稳定性和柔韧性而引起了广泛关注。MXenes是一类新兴的二维层状材料，自2011年Yury等人首次发现第一种MXene（Ti3C2Tx）以来，其物理和化学性质的独特组合促使了广泛的研究，涉及柔性电子学、超级电容器、催化、传感器、航空航天以及微/纳电机械设备等多个领域。然而，由于MXenes在实际应用中可能受到拉伸、弯曲和扭转等力学应力的影响，这可能导致性能的降低。
为了更好地理解和优化MXenes的力学性能，科学家们开始关注对其进行力学性质研究。在过去的研究中，对多层Ti3C2Tx薄膜进行了实验研究，发现其抗拉强度可达670 MPa。然而，这些多层Ti3C2Tx的实验结果明显低于理论预测值20 GPa，这被归因于多层2D片层之间相互作用的相对较弱。由于MXenes的特殊结构，单层Ti3C2Tx纳米片的力学性质变得尤为重要。然而，由于其纳米尺度的厚度，传统的原子力显微镜（AFM）纳米压痕法存在一些限制，如产生不均匀的应力和应变场，难以准确测量单层Ti3C2Tx的力学性质。
成果简介
为了实现这一目标，华东理工大学闫亚宾教授、张博威教授以及轩福贞教授等人联合在Nature Communications刊发题为“Elastic properties and tensile strength of 2D Ti3C2Tx MXene monolayers”的研究论文。本研究旨在通过单轴拉伸试验，直接在2D材料平面上进行均匀加载，以解决单层Ti3C2Tx纳米片力学性质测量的难题。通过精密控制的离子束聚焦（FIB）切割技术和改进的干法转移技术，研究团队成功制备了高质量大尺寸的单层Ti3C2Tx纳米片，并将其固定到“推-拉”（PTP）纳米力学测试平台上，进行了原位拉伸实验。通过实验测量，成功获得了单层Ti3C2Tx纳米片的杨氏模量和抗拉强度数据。 为了验证实验结果，研究团队还进行了分子动力学模拟（MD）理论建模计算。这项研究为通过机械剥离生产的其他二维材料提供了有效的纳米力学测试策略，并为需要特殊力学性能的材料，如Ti3C2Tx基柔性电子器件，提供了实用的指导。
图文导读
为了在原位纳米机械测试中成功地将单层Ti3C2Tx纳米片转移到PTP装置上，研究者开发了一种独特的干法转移方法。该方法是从先前的方法进行了修改的。具体来说，准备好的单层Ti3C2Tx悬浮液滴在一个没有碳膜的400目铜网上，并进行真空干燥。单层纳米片附着在铜网的边缘上，这极大地促进了后续的转移过程。然后，纳米片的一侧通过电子束沉积的铂粘在机械探针上，另外三侧的纳米片则通过聚焦离子束（FIB）切割进行移动。得到的纳米片被转移到PTP微器件中间的2.5μm拉伸区域。由于其单层性质，悬浮在纳米机械装置上的Ti3C2Tx纳米片几乎是透明的。通过FIB切割，操作器和Ti3C2Tx纳米片被切割并分离。 这一过程的意义在于，它克服了将单层Ti3C2Tx纳米片转移到纳米机械测试平台上的困难，为后续的原位纳米力学测试奠定了基础。通过这种干法转移方法，研究者们成功地将Ti3C2Tx纳米片固定在了PTP微器件上，为后续的力学性能测试提供了可靠的样品。
图1. Ti3C2Tx 单层的示意图和 SEM 图像传递过程
图2呈现了其制备和特征化的关键步骤。在SEM图像（图2a）中，单层Ti3C2Tx纳米片的两端通过电子束沉积的Pt固定在PTP纳米机械装置上，而纳米片的悬浮部分则通过FIB铣削成适用于拉伸测试的形状和尺寸。图中通过红色箭头指示了实验中施加在半球形压头上的推力。在图2b中展示了经过FIB铣削后的单层Ti3C2Tx纳米片的SEM图像。该纳米片的宽度和长度分别为5μm和2.5μm，橙色箭头指示了样品的拉伸方向。图2c通过像差校正扫描透射电子显微镜（AC-STEM）展示了悬浮Ti3C2Tx纳米片在机械测试后的断裂边缘横截面。 这一步骤验证了单层Ti3C2Tx的厚度。实验中使用的Ti3C2Tx纳米片的性质也通过XRD、XPS、EDX和元素映射等手段进行了确认。图2d显示了Ti3C2Tx纳米片的TEM图像和相应的SAED图案，证实了其高质量的晶体性质和六角碳化物结构。这些性质的确认为后续的力学性能测试提供了基础。
图2. Ti3C2Tx 单层的实验步骤和表征
图3展示了对单层Ti3C2Tx纳米片的拉伸断裂和性能比较。通过SEM快照（图3a、b），作者观察到在拉伸测试前后，单层Ti3C2Tx纳米片的最大工程应变可达3.6%。拉伸断口形貌显示了典型的脆性断裂（图3c），而对应的载荷-位移曲线揭示了拉伸过程中的关键阶段（图3d）。曲线的斜率在不同阶段提供了有关样品和纳米机械装置的固有刚度、样品拉伸和拉断阶段的总刚度的信息。通过精确计算，研究者得出了单层Ti3C2Tx纳米片的实际拉伸刚度和2D弹性模量分别约为947.7 N/m和473.9 N/m。
在单轴应力假设下，通过有限元方法建立的模型计算得出3D弹性模量约为484 GPa。 研究中进行了多次拉伸实验，但由于纳米片操作的困难和单层Ti3C2Tx的脆弱性，只有五次实验成功。通过对比实验测量和理论值，研究者发现实测的单层Ti3C2Tx纳米片的有效弹性模量接近于理论模拟值，远高于以往使用纳米压痕方法得到的数值。与其他单层2D材料相比，Ti3C2Tx MXene表现出较高的弹性模量，使其成为微/纳电机械器件和复合材料中的有力选择。
研究者进行了图4的分子动力学（MD）模拟，旨在验证边缘缺陷对单层Ti3C2Tx纳米片断裂强度的影响。在模拟过程中，他们建立了三种不同类型的边缘缺陷，并展示了样品的宽度尺度依赖性（见图4a）。Ti3C2Tx的原子结构呈六边形排列，具有“扶手椅”和“之字形”的固有材料取向。他们模拟了三种不同宽度尺度的单层Ti3C2Tx纳米片的拉伸实验，分别将两端固定，得到了十八个断裂强度结果（见图4b）。这些模拟结果为进一步理解Ti3C2Tx纳米片的力学性能提供了重要参考，有助于揭示其在微纳尺度下的力学行为及其应用前景。
图4. 不同宽度尺度 Ti3C2Tx 单层在可能由 FIB 引起的边缘缺陷下的断裂强度的 MD 模拟
总结展望
总之，作者成功地利用PTP纳米机械装置在扫描电子显微镜（SEM）中实现了单层Ti3C2Tx纳米片的原位机械拉伸测试。与AFM纳米压痕测试的横向局部化测试相比，PTP装置可以在平面内实现样品的均匀拉伸，并且可以可靠地测量单层Ti3C2Tx的机械性能。单层Ti3C2Tx的弹性模量为483.5 ± 13.2 GPa，接近理论预测值502 GPa。单层Ti3C2Tx纳米片表现出脆性断裂，平均弹性应变约为3.2%，为Ti3C2Tx在弹性应变工程中的应用提供了机会。 此外，实验测得的有效断裂强度为15.4 ± 1.92 GPa，与理想值18.4 GPa之间的差异归因于样品边缘原子级缺陷，随着样品宽度尺度的增加，这种差异逐渐减小。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，可以提高工程断裂强度。
文献信息
Rong, C., Su, T., Li, Z. et al. Elastic properties and tensile strength of 2D Ti3C2Tx MXene monolayers. Nat Commun 15, 1566 (2024). 10.1038/s41467-024-45657-6
