MXenes（二維過渡金屬碳化物和氮化物）是一類自2011年被發(fā)現(xiàn)以來就引起廣泛關(guān)注的二維材料。它們具有優(yōu)異的金屬導(dǎo)電性、親水性、分散穩(wěn)定性和柔韌性。這些特性使得MXenes在柔性電子、超級電容器、催化劑、傳感器、航空航天以及微納電子機(jī)械系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。盡管MXenes的物理和化學(xué)性質(zhì)已經(jīng)被廣泛研究，但關(guān)于它們的力學(xué)性質(zhì)，尤其是單層MXene的彈性特性和拉伸強(qiáng)度的研究卻相對有限。這是因?yàn)閱螌覯Xene的納米級厚度給實(shí)驗(yàn)測量帶來了極大的挑戰(zhàn)。以往的研究多集中在多層MXene薄膜的力學(xué)性質(zhì)上，但這些研究結(jié)果并不能準(zhǔn)確反映單層MXene的真實(shí)力學(xué)性能。此外 MXenes在實(shí)際應(yīng)用中可能經(jīng)歷的拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)過程，也可能導(dǎo)致性能下降。

盡管理論預(yù)測二維Ti₃C₂T_x的楊氏模量高達(dá)0.502 TPa，但由于測量難度，這一理論值尚未得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此外，先前使用原子力顯微鏡（AFM）納米壓痕法測量得到的楊氏模量（約330GPa）與理論值存在顯著差異。因此研究者需要一種更可靠、直接和定量的方法來測量單層Ti₃C₂T_x納米片的力學(xué)性質(zhì)。因此，本研究針對單層Ti₃C₂T_x MXene納米片的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行深入研究，以期準(zhǔn)確測量其彈性模量和拉伸強(qiáng)度，并通過實(shí)驗(yàn)和分子動力學(xué)模擬驗(yàn)證理論預(yù)測。這項(xiàng)研究不僅能夠?yàn)镸Xene材料在高性能應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和性能改進(jìn)提供關(guān)鍵信息，而且還能推動對其他二維材料力學(xué)性質(zhì)的深入理解。

圖1描述了單層Ti₃C₂T_x納米片成功轉(zhuǎn)移到PTP（Push-to-Pull）裝置上的關(guān)鍵步驟，這是進(jìn)行原位納米力學(xué)測試的重要環(huán)節(jié)。為此，研究人員開發(fā)了一種干轉(zhuǎn)移方法，具體步驟如下：

a.制備Ti₃C₂T_x懸浮液：首先，制備好的單層Ti₃C₂T_x懸浮液滴在沒有碳膜的400目銅網(wǎng)上，然后進(jìn)行真空干燥。

b.銅網(wǎng)上的附著：干燥后，單層納米片附著在銅網(wǎng)的邊緣，這大大方便了后續(xù)的轉(zhuǎn)移過程。如果懸浮液在平坦載體上干燥，由于范德華力的作用，納米片將難以轉(zhuǎn)移。

c.納米片的固定：隨后，納米片的一側(cè)通過電子束沉積的鉑（Pt）粘附到機(jī)械探頭上，而納米片的其他三側(cè)則通過以鎵為源的聚焦離子束（FIB）切割，以移動納米片。

d.轉(zhuǎn)移至PTP裝置：得到的納米片被轉(zhuǎn)移到PTP微裝置中間的2.5微米拉伸區(qū)域。由于其單層特性，懸掛在納米力學(xué)裝置上的Ti₃C₂T_x納米片幾乎是透明的。

e.FIB切割分離：最后，通過FIB切割，將操縱器與Ti₃C₂T_x納米片進(jìn)行切割和分離。

這種干轉(zhuǎn)移方法的改進(jìn)，使得單層Ti₃C₂T_x納米片能夠成功且高效地轉(zhuǎn)移到PTP裝置上，為后續(xù)的力學(xué)性能測試打下了基礎(chǔ)。通過這種方法，研究人員能夠確保納米片在整個轉(zhuǎn)移過程中保持完整，從而獲得準(zhǔn)確的測試結(jié)果。

圖2描述了單層Ti₃C₂T_x納米片在PTP（Push-to-Pull）納米力學(xué)裝置上的固定和形狀調(diào)整過程，以及隨后進(jìn)行的拉伸測試：

a.SEM圖像展示：通過掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（圖2a），可以看到單層Ti₃C₂T_x納米片的兩端通過電子束沉積的鉑（Pt）固定在PTP納米力學(xué)裝置上。

b.FIB加工：懸浮在間隙上方的納米片通過聚焦離子束（FIB）銑削加工成拉伸測試所需的特定形狀和尺寸。

c.拉伸測試過程：在測試過程中，使用探針對半球形壓頭（由紅色箭頭指示）施加推力。PTP微裝置通過“推拉”機(jī)制將推力轉(zhuǎn)換為作用在Ti₃C₂T_x上的平面拉伸力，加載速率為10納米/秒。

d.載荷值計算：載荷值可以通過平面探針中靜電梳驅(qū)動器的轉(zhuǎn)換值來計算，同時記錄了載荷-位移數(shù)據(jù)。

e.FIB加工后的SEM圖像：圖2b展示了FIB加工后的單層Ti₃C₂T_x納米片的SEM圖像。Ti₃C₂T_x的寬度和長度分別為5微米和2.5微米，相應(yīng)的橙色箭頭方向表示樣品的拉伸方向。

這個過程確保了Ti₃C₂T_x納米片可以被精確地測試其力學(xué)性能，包括其彈性模量和拉伸強(qiáng)度。通過這種設(shè)置，研究人員能夠模擬實(shí)際應(yīng)用中MXene材料可能遇到的力學(xué)條件，并測量其響應(yīng)。

這些詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟和分析結(jié)果為理解單層Ti₃C₂T_x納米片的力學(xué)行為提供了重要信息，并為進(jìn)一步的應(yīng)用開發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。

本研究通過原位PTP設(shè)備測量了單層Ti₃C₂T_x納米片的楊氏模量，并與其他二維材料進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)中測量得到的單層Ti₃C₂T_x的楊氏模量約為484GPa，與分子動力學(xué)（MD）模擬預(yù)測的理論值502 GPa非常接近。該結(jié)果遠(yuǎn)高于先前其它方法的測量值（約330GPa）。因此可以采用本方法重新確定單層Ti₃C₂T_x納米片的機(jī)械性能。與其它通過類似PTP方法進(jìn)行原位拉伸實(shí)驗(yàn)測量的單層2D材料的機(jī)械性能相比，Ti₃C₂T_x MXene的有效楊氏模量高于MoSe₂的平均值，但低于石墨烯。因此，Ti₃C₂T_x Mxene可以作為微/納電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS/NEMS）的候選材料。這些系統(tǒng)要求具有高機(jī)械強(qiáng)度。本材料還可以作為復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料，作為石墨烯等二維材料的潛在替代品。

本研究還獲得了Ti₃C₂T_x MXene材料的工程彈性應(yīng)變和其在應(yīng)變工程中的潛在應(yīng)用。Ti₃C₂T_x MXene具有約3.2%的有效工程彈性應(yīng)變，并表現(xiàn)出脆性斷裂。這種彈性應(yīng)變?yōu)镸Xene在應(yīng)變工程中的應(yīng)用提供了巨大的可能性。比如，拉伸應(yīng)變會導(dǎo)致鈦-鈦鍵長增加，內(nèi)部應(yīng)力會使鈦原子的d帶中心更接近費(fèi)米能級，為Ti₃C₂T_x納米片提供豐富的活性位點(diǎn)，這將增強(qiáng)反應(yīng)物/中間體的吸附，加速催化效應(yīng)。3.2%的彈性應(yīng)變足以賦予Ti₃C₂T_x材料出色的力電化學(xué)耦合特性。這些特性可以通過機(jī)械和化學(xué)方式產(chǎn)生，以改變材料的結(jié)構(gòu)，調(diào)整其電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。這些特性還可以為Ti₃C₂T_x在能量存儲領(lǐng)域的眾多應(yīng)用提供了可能性，例如通過機(jī)械化學(xué)方法調(diào)控材料結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化其在超級電容器和電池中的性能。通過施加應(yīng)變和電場還可以使Ti₃C₂T_x MXene具有在可調(diào)帶隙電場的光學(xué)納米器件中有潛在應(yīng)用。此外，Ti₃C₂T_x MXene的彈性特性使其適用于柔性機(jī)器人皮膚、結(jié)構(gòu)復(fù)合膜、防護(hù)涂層和傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。

本研究使用的納米壓痕儀是布魯克納米表面與計量部的設(shè)備。除了納米壓痕儀外，布魯克納米表面部還有原子力顯微鏡、摩擦磨損測試儀及白光干涉顯微鏡等。這些設(shè)備能全面表征樣品表面及涂層的表面特性。更重要的是，這些設(shè)備具有高通量測試功能，和廣泛的定制擴(kuò)展能力，適合進(jìn)行各種二次開放工作。