背景：
隨著二維過渡金屬碳化物和氮化物（MXENES）的不斷研究，這些材料因其優異的金屬導電性、親水性、分散穩定性和柔韌性而備受關注。 自2011年Yury等人首次發現第一種Mxene（Ti3C2TX）以來，其獨特的物理和化學性質組合導致了柔性電子、超級電容器、催化、感測器、航空航天和微納機械器件等領域的廣泛研究。 然而，由於MXENES在實際應用中會受到拉伸、彎曲和扭轉等機械應力的影響，這可能會導致效能下降。
為了更好地理解和優化MXENES的力學效能，科學家們開始關注其力學效能的研究。 在以往的研究中，對多層Ti3C2TX薄膜進行了實驗研究，發現其拉伸強度可達670 MPa。 然而，這些多層Ti3C2TXs的實驗結果明顯低於理論**值20 GPA，這歸因於多層二維片之間的相互作用相對較弱。 由於MXenes的特殊結構，單層Ti3C2TX奈米片的力學效能變得尤為重要。 然而，由於其奈米級厚度，傳統的原子力顯微鏡（AFM）奈米壓痕方法存在一些侷限性，例如產生不均勻的應力和應變場，這使得單層Ti3C2TX的力學效能難以準確測量。
結果簡介
為了實現這一目標，華東理工大學閆亞斌教授、張伯偉教授、宣福珍教授在Nature Communications**上共同發表了題為“Elastic Properties and Tensile Strength of 2D Ti3C2TX MX MXENE Monolayers”的研究。 本研究的目的是通過單軸拉伸試驗直接在二維材料平面上進行均勻載入，解決單層Ti3C2TX奈米片力學效能的測量問題。 利用精密控制離子束聚焦（FIB）切割技術和改進的乾法轉移技術，研究團隊成功製備了高質量、大尺寸的單層Ti3C2TX奈米片，並將其固定在推拉（PTP）奈米力學測試平台上進行原位拉伸實驗。 通過實驗測量成功獲得了單層Ti3C2TX奈米片的楊氏模量和拉伸強度資料。 為了驗證實驗結果，研究團隊還進行了分子動力學模擬（MD）理論建模計算。 本研究為機械剝離產生的其他二維材料提供了有效的奈米力學測試策略，並為需要特殊力學效能的材料提供了實踐指導，例如基於Ti3C2TX的柔性電子器件。
**閱讀指南
為了成功地將單層Ti3C2TX奈米片轉移到PTP器件的原位奈米力學測試中，開發了一種獨特的乾法轉移方法。 該方法從上一種方法修改而來。 具體地，將製備好的單層Ti3C2TX懸浮液滴放置在沒有碳膜的400目銅網上並真空乾燥。 單層奈米片附著在銅網的邊緣，極大地方便了後續的轉移過程。 然後，奈米片的一側通過沉積鉑的電子束粘附在機械探針上，另外三面通過聚焦離子束（FIB）裂解移動。 將得到的奈米片轉移到 2 中間的 PTP 微器件中5 m 伸展區域。 由於其單層性質，懸浮在奈米機械器件上的Ti3C2TX奈米片幾乎是透明的。 通過FIB裂解，機械手和Ti3C2TX奈米片被切割和分離。 該工藝的意義在於克服了將單層Ti3C2TX奈米片轉移到奈米力學測試平台的困難，為後續的原位奈米力學測試奠定了基礎。 通過這種乾法轉移方法，研究人員成功地將Ti3C2TX奈米片固定在PTP微器件上，為後續的力學效能測試提供了可靠的樣品。
圖1Ti3C2TX單層和SEM影象傳輸過程示意圖
圖 2 說明了其製備和表徵的關鍵步驟。 在SEM影象（圖2A）中，單層Ti3C2TX奈米片的末端通過沉積的電子束PT固定在PTP奈米機械器件上，而奈米片的懸浮部分則通過FIB銑削成適合拉伸試驗的形狀和尺寸。 實驗過程中施加在半球形壓頭上的推力用紅色箭頭表示。 FIB銑削的單層Ti3C2TX奈米片的SEM影象如圖2b所示。 該奈米片的寬度和長度分別為 5 m 和 25 m，橙色箭頭表示樣品的拉伸方向。 圖2c顯示了通過像差校正掃瞄透射電子顯微鏡（AC-STEM）進行機械測試後懸浮的Ti3C2TX奈米片斷裂邊緣的橫截面。 此步驟驗證單層Ti3C2TX的厚度。 實驗中使用的Ti3C2TX奈米片的特性也通過XRD、XPS、EDX和元素對映得到了證實。 圖2D顯示了Ti3C2TX奈米片的TEM影象和相應的SAED圖案，證實了它們的高質量晶體特性和六方碳化物結構。 這些效能確實為後續的機械效能測試提供了基礎。
圖2Ti3C2TX 單層的實驗方案和表徵
圖3顯示了單層Ti3C2TX奈米片的拉伸斷裂和效能的比較。 使用SEM快照（圖3A，B），作者觀察到單層Ti3C2TX奈米片的最大工程應變高達36%。拉伸斷裂形貌顯示出典型的脆性斷裂（圖3c），而相應的載荷-位移曲線揭示了拉伸過程的關鍵階段（Fig. 3d）。 曲線的斜率提供了有關樣品和奈米力學器件的固有剛度的資訊，以及樣品在拉伸和拉伸階段在不同階段的總剛度。 通過精確計算，研究人員得到單層Ti3C2TX奈米片的實際拉伸剛度和二維彈性模量分別約為947%7 nm 和 4739 n/m。
在單軸應力的假設下，有限元法建立的模型計算出的三維彈性模量約為484 GPA。 該研究進行了幾次拉伸實驗，但由於奈米片操作的困難和單層Ti3C2TX的脆性，只有五次成功。 通過將實驗測量值與理論值進行比較，研究人員發現，單層Ti3C2TX奈米片的實測有效彈性模量接近理論模擬值，遠高於先前奈米壓痕方法獲得的值。 與其他單層 2D 材料相比，Ti3C2TX MXene 具有高彈性模量，使其成為微機械器件和複合材料的有力選擇。
圖3Ti3C2TX奈米片的拉伸斷裂及效能比較
研究人員在圖4中進行了分子動力學（MD）模擬，以驗證邊緣缺陷對單層Ti3C2TX奈米片斷裂強度的影響。 在模擬過程中，他們建立了三種不同型別的邊緣缺陷，並演示了樣品的寬度尺度依賴性（見圖4A）。 Ti3C2TX的原子結構呈六邊形排列，具有“扶手椅”和“鋸齒形”的固有材料取向。 他們在單層Ti3C2TX奈米片的三個不同寬度尺度上模擬了拉伸實驗，並固定了每一端，獲得了18個斷裂強度結果（見圖4b）。 這些模擬結果為進一步理解Ti3C2TX奈米片的力學效能提供了重要參考，有助於揭示其在微納尺度上的力學行為和應用前景。
圖4Ti3C2TX單層膜在FIB可能引起的邊緣缺陷下不同寬度尺度下的斷裂強度MD模擬
總結前景
綜上所述，作者利用PTP奈米力學器件在掃瞄電子顯微鏡（SEM）中成功實現了單層Ti3C2TX奈米片的原位機械拉伸試驗。 與AFM奈米壓痕測試的橫向定位測試相比，PTP器件可以實現樣品在平面上的均勻拉伸，並且可以可靠地測量單層Ti3C2TX的力學效能。 單層Ti3C2TX的彈性模量為4835 ± 13.2 GPA，接近 502 GPA 的理論 ** 值。 單層Ti3C2TX奈米片表現出脆性斷裂，平均彈性應變約為32%，這為Ti3C2TX在彈性應變工程中的應用提供了機會。 此外，實驗測得的有效斷裂強度為154 ± 1.GPA 92，理想值為 184 GPa之間的差異歸因於樣品邊緣的原子尺度缺陷，並且隨著樣品寬度尺度的增加，這種差異逐漸減小。 通過分子動力學模擬量化了邊緣缺陷對斷裂強度的影響，通過調整單層Ti3C2TX奈米片的邊緣狀態可以提高工程斷裂強度。
書目資訊
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