背景：
随着二维过渡金属碳化物和氮化物（MXENES）的不断研究，这些材料因其优异的金属导电性、亲水性、分散稳定性和柔韧性而备受关注。 自2011年Yury等人首次发现第一种Mxene（Ti3C2TX）以来，其独特的物理和化学性质组合导致了柔性电子、超级电容器、催化、传感器、航空航天和微纳机械器件等领域的广泛研究。 然而，由于MXENES在实际应用中会受到拉伸、弯曲和扭转等机械应力的影响，这可能会导致性能下降。
为了更好地理解和优化MXENES的力学性能，科学家们开始关注其力学性能的研究。 在以往的研究中，对多层Ti3C2TX薄膜进行了实验研究，发现其拉伸强度可达670 MPa。 然而，这些多层Ti3C2TXs的实验结果明显低于理论**值20 GPA，这归因于多层二维片之间的相互作用相对较弱。 由于MXenes的特殊结构，单层Ti3C2TX纳米片的力学性能变得尤为重要。 然而，由于其纳米级厚度，传统的原子力显微镜（AFM）纳米压痕方法存在一些局限性，例如产生不均匀的应力和应变场，这使得单层Ti3C2TX的力学性能难以准确测量。
结果简介
为了实现这一目标，华东理工大学闫亚斌教授、张伯伟教授、宣福珍教授在Nature Communications**上共同发表了题为“Elastic Properties and Tensile Strength of 2D Ti3C2TX MX MXENE Monolayers”的研究。 本研究的目的是通过单轴拉伸试验直接在二维材料平面上进行均匀加载，解决单层Ti3C2TX纳米片力学性能的测量问题。 利用精密控制离子束聚焦（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，并将其固定在推拉（PTP）纳米力学测试平台上进行原位拉伸实验。 通过实验测量成功获得了单层Ti3C2TX纳米片的杨氏模量和拉伸强度数据。 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。 本研究为机械剥离产生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提供了实践指导，例如基于Ti3C2TX的柔性电子器件。
**阅读指南
为了成功地将单层Ti3C2TX纳米片转移到PTP器件的原位纳米力学测试中，开发了一种独特的干法转移方法。 该方法从上一种方法修改而来。 具体地，将制备好的单层Ti3C2TX悬浮液滴放置在没有碳膜的400目铜网上并真空干燥。 单层纳米片附着在铜网的边缘，极大地方便了后续的转移过程。 然后，纳米片的一侧通过沉积铂的电子束粘附在机械探针上，另外三面通过聚焦离子束（FIB）裂解移动。 将得到的纳米片转移到 2 中间的 PTP 微器件中5 m 伸展区域。 由于其单层性质，悬浮在纳米机械器件上的Ti3C2TX纳米片几乎是透明的。 通过FIB裂解，机械手和Ti3C2TX纳米片被切割和分离。 该工艺的意义在于克服了将单层Ti3C2TX纳米片转移到纳米力学测试平台的困难，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，研究人员成功地将Ti3C2TX纳米片固定在PTP微器件上，为后续的力学性能测试提供了可靠的样品。
图1Ti3C2TX单层和SEM图像传输过程示意图
图 2 说明了其制备和表征的关键步骤。 在SEM图像（图2A）中，单层Ti3C2TX纳米片的末端通过沉积的电子束PT固定在PTP纳米机械器件上，而纳米片的悬浮部分则通过FIB铣削成适合拉伸试验的形状和尺寸。 实验过程中施加在半球形压头上的推力用红色箭头表示。 FIB铣削的单层Ti3C2TX纳米片的SEM图像如图2b所示。 该纳米片的宽度和长度分别为 5 m 和 25 m，橙色箭头表示样品的拉伸方向。 图2c显示了通过像差校正扫描透射电子显微镜（AC-STEM）进行机械测试后悬浮的Ti3C2TX纳米片断裂边缘的横截面。 此步骤验证单层Ti3C2TX的厚度。 实验中使用的Ti3C2TX纳米片的特性也通过XRD、XPS、EDX和元素映射得到了证实。 图2D显示了Ti3C2TX纳米片的TEM图像和相应的SAED图案，证实了它们的高质量晶体特性和六方碳化物结构。 这些性能确实为后续的机械性能测试提供了基础。
图2Ti3C2TX 单层的实验方案和表征
图3显示了单层Ti3C2TX纳米片的拉伸断裂和性能的比较。 使用SEM快照（图3A，B），作者观察到单层Ti3C2TX纳米片的最大工程应变高达36%。拉伸断裂形貌显示出典型的脆性断裂（图3c），而相应的载荷-位移曲线揭示了拉伸过程的关键阶段（Fig. 3d）。 曲线的斜率提供了有关样品和纳米力学器件的固有刚度的信息，以及样品在拉伸和拉伸阶段在不同阶段的总刚度。 通过精确计算，研究人员得到单层Ti3C2TX纳米片的实际拉伸刚度和二维弹性模量分别约为947%7 nm 和 4739 n/m。
在单轴应力的假设下，有限元法建立的模型计算出的三维弹性模量约为484 GPA。 该研究进行了几次拉伸实验，但由于纳米片操作的困难和单层Ti3C2TX的脆性，只有五次成功。 通过将实验测量值与理论值进行比较，研究人员发现，单层Ti3C2TX纳米片的实测有效弹性模量接近理论模拟值，远高于先前纳米压痕方法获得的值。 与其他单层 2D 材料相比，Ti3C2TX MXene 具有高弹性模量，使其成为微机械器件和复合材料的有力选择。
图3Ti3C2TX纳米片的拉伸断裂及性能比较
研究人员在图4中进行了分子动力学（MD）模拟，以验证边缘缺陷对单层Ti3C2TX纳米片断裂强度的影响。 在仿真过程中，他们建立了三种不同类型的边缘缺陷，并演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“锯齿形”的固有材料取向。 他们在单层Ti3C2TX纳米片的三个不同宽度尺度上模拟了拉伸实验，并固定了每一端，获得了18个断裂强度结果（见图4b）。 这些仿真结果为进一步理解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上的力学行为和应用前景。
图4Ti3C2TX单层膜在FIB可能引起的边缘缺陷下不同宽度尺度下的断裂强度MD模拟
总结前景
综上所述，作者利用PTP纳米力学器件在扫描电子显微镜（SEM）中成功实现了单层Ti3C2TX纳米片的原位机械拉伸试验。 与AFM纳米压痕测试的横向定位测试相比，PTP器件可以实现样品在平面上的均匀拉伸，并且可以可靠地测量单层Ti3C2TX的力学性能。 单层Ti3C2TX的弹性模量为4835 ± 13.2 GPA，接近 502 GPA 的理论 ** 值。 单层Ti3C2TX纳米片表现出脆性断裂，平均弹性应变约为32%，这为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154 ± 1.GPA 92，理想值为 184 GPa之间的差异归因于样品边缘的原子尺度缺陷，并且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，通过调整单层Ti3C2TX纳米片的边缘状态可以提高工程断裂强度。
书目信息
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