Nature communication – 单层二维材料的弹性及拉伸强度
2024-08-05186MXenes（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0.502 TPa，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。因此，本研究针对单层Ti3C2Tx MXene纳米片的力学性质进行深入研究，以期准确测量其弹性模量和拉伸强度，并通过实验和分子动力学模拟验证理论预测。这项研究不仅能够为MXene材料在高性能应用中的结构稳定性和性能改进提供关键信息，而且还能推动对其他二维材料力学性质的深入理解。
图1 单层Ti3C2Tx纳米片的结构和转移过程。
a. Ti3C2Tx单层结构；b. 单层Ti3C2Tx转移过程。
图1描述了单层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。为此，研究人员开发了一种独特的干转移方法，具体步骤如下：
a.制备Ti3C2Tx悬浮液：首先，制备好的单层Ti3C2Tx悬浮液滴在没有碳膜的400目铜网上，然后进行真空干燥。
b.铜网上的附着：干燥后，单层纳米片附着在铜网的边缘，这大大方便了后续的转移过程。如果悬浮液在平坦载体上干燥，由于范德华力的作用，纳米片将难以转移。
c.纳米片的固定：随后，纳米片的一侧通过电子束沉积的铂（Pt）粘附到机械探头上，而纳米片的其他三侧则通过以镓为源的聚焦离子束（FIB）切割，以移动纳米片。
d.转移至PTP装置：得到的纳米片被转移到PTP微装置中间的2.5微米拉伸区域。由于其单层特性，悬挂在纳米力学装置上的Ti3C2Tx纳米片几乎是透明的。
e.FIB切割分离：最后，通过FIB切割，将操纵器与Ti3C2Tx纳米片进行切割和分离。
这种干转移方法的改进，使得单层Ti3C2Tx纳米片能够成功且高效地转移到PTP装置上，为后续的力学性能测试打下了基础。通过这种方法，研究人员能够确保纳米片在整个转移过程中保持完整，从而获得准确的测试结果。
图2 单层Ti3C2Tx纳米片的测试和表征步骤。
图2描述了单层Ti3C2Tx纳米片在PTP（Push-to-Pull）纳米力学装置上的固定和形状调整过程，以及随后进行的拉伸测试：
a.SEM图像展示：通过扫描电子显微镜（SEM）图像（图2a），可以看到单层Ti3C2Tx纳米片的两端通过电子束沉积的铂（Pt）固定在PTP纳米力学装置上。
b.FIB加工：悬浮在间隙上方的纳米片通过聚焦离子束（FIB）铣削加工成拉伸测试所需的特定形状和尺寸。
c.拉伸测试过程：在测试过程中，使用探针对半球形压头（由红色箭头指示）施加推力。PTP微装置通过“推拉”机制将推力转换为作用在Ti3C2Tx上的平面拉伸力，加载速率为10纳米/秒。
d.载荷值计算：载荷值可以通过平面探针中静电梳驱动器的转换值来计算，同时记录了载荷-位移数据。
e.FIB加工后的SEM图像：图2b展示了FIB加工后的单层Ti3C2Tx纳米片的SEM图像。Ti3C2Tx的宽度和长度分别为5微米和2.5微米，相应的橙色箭头方向表示样品的拉伸方向。
这个过程确保了Ti3C2Tx纳米片可以被精确地测试其力学性能，包括其弹性模量和拉伸强度。通过这种设置，研究人员能够模拟实际应用中MXene材料可能遇到的力学条件，并测量其响应。
图3 单层Ti3C2Tx纳米片拉伸测试及模量比较。
这些详细的实验步骤和分析结果为理解单层Ti3C2Tx纳米片的力学行为提供了重要信息，并为进一步的应用开发提供了科学依据。
表1 单层Ti3C2Tx纳米片力学行为比较
本研究通过原位PTP设备测量了单层Ti3C2Tx纳米片的杨氏模量，并与其他二维材料进行了比较。实验中测量得到的单层Ti3C2Tx的杨氏模量约为484GPa，与分子动力学（MD）模拟预测的理论值502 GPa非常接近。该结果远高于先前其它方法的测量值（约330GPa）。因此可以采用本方法重新确定单层Ti3C2Tx纳米片的机械性能。与其它通过类似PTP方法进行原位拉伸实验测量的单层2D材料的机械性能相比，Ti3C2Tx MXene的有效杨氏模量高于MoSe2的平均值，但低于石墨烯。因此，Ti3C2Tx Mxene可以作为微/纳电子机械系统（MEMS/NEMS）的候选材料。这些系统要求具有高机械强度。本材料还可以作为复合材料中的增强材料，作为石墨烯等二维材料的潜在替代品。
本研究还获得了Ti3C2Tx MXene材料的工程弹性应变和其在应变工程中的潜在应用。Ti3C2Tx MXene具有约3.2%的有效工程弹性应变，并表现出脆性断裂。这种弹性应变为MXene在应变工程中的应用提供了巨大的可能性。比如，拉伸应变会导致钛-钛键长增加，内部应力会使钛原子的d带中心更接近费米能级，为Ti3C2Tx纳米片提供丰富的活性位点，这将增强反应物/中间体的吸附，加速催化效应。3.2%的弹性应变足以赋予Ti3C2Tx材料出色的力电化学耦合特性。这些特性可以通过机械和化学方式产生，以改变材料的结构，调整其电子结构和化学性质。这些特性还可以为Ti3C2Tx在能量存储领域的众多应用提供了可能性，例如通过机械化学方法调控材料结构，从而优化其在超级电容器和电池中的性能。通过施加应变和电场还可以使Ti3C2Tx MXene具有在可调带隙电场的光学纳米器件中有潜在应用。此外，Ti3C2Tx MXene的弹性特性使其适用于柔性机器人皮肤、结构复合膜、防护涂层和传感领域的应用。
本研究使用的纳米压痕仪是布鲁克纳米表面与计量部的设备。除了纳米压痕仪外，布鲁克纳米表面部还有原子力显微镜、摩擦磨损测试仪及白光干涉显微镜等。这些设备能全面表征样品表面及涂层的表面特性。更重要的是，这些设备具有高通量测试功能，和广泛的定制扩展能力，适合进行各种二次开放工作。
设备介绍链接如下：
纳米压痕仪：
https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/test-and-measurement/nanomechanical-test-systems.html
文章信息如下，感兴趣的朋友可以自行下载阅读。
标题：Elastic properties and tensile strength of 2D Ti3C2Tx MXene monolayers
作者：Chao Rong, Ting Su, Zhenkai Li, Tianshu Chu, Mingliang Zhu, Yabin Yan, Bowei Zhang & Fu-Zhen Xuan
出处：Nature Communications 15, 1566 (2024)
链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45657-6
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