近日，我校机械与动力工程学院轩福贞教授团队在《自然·通讯》上发表了题为“二维Ti3C2Tx MXene单层纳米片的剪切性能和稳定抗皱特性”的研究论文，报道了该课题组在Ti3C2Tx基柔性传感材料结构强度领域的最新研究进展，首次通过扫描透射电子显微镜并结合分子动力学模拟、第一性原理计算在原子尺度观察到二维材料剪切载荷下的损伤起源，打破了人们对二维材料剪切失稳的传统认知。
图片说明：论文相关信息
二维过渡金属碳化物（Ti3C2TxMXenes）具有优异的力学性能和金属导电性，在航空航天、智能传感器、柔性电子以及微/纳机电系统中展现出广阔应用前景。在实际应用中，器件单元所承受的机械应力会显著影响功能纳米器件的性能与可靠性。因此，全面理解二维Ti3C2Tx在不同载荷条件下的力学性能至关重要。尽管关于单层Ti3C2Tx在单轴拉伸条件下的力学性能已经被该团队研究，但剪切载荷下的面内力学性质由于测试技术的局限仍是未知领域，对其开展探索可为二维柔性电子器件的结构设计提供科学见解。
该团队提出了“Push-To-Shear”(PTS)策略施加面内剪切载荷，发现与传统的二维材料超低剪切性能和褶皱不稳定性相反，单层Ti3C2Tx纳米片的剪切模量为278.8 ± 7.4 GPa，约为单层石墨烯的4倍，并具有稳定的抗面外褶皱特性。通过原位观察和分子动力学模拟发现损伤不以整体失稳形式出现，而表现为局域、渐进的非均匀变形累积；扫描透射电子显微镜直接观察到单层Ti3C2Tx纳米片表面的局域损伤，并未演化成整体周期性皱褶。第一性原理计算表明，Ti3C2Tx原子层之间的强键合作用会重新分配局部应力，阻止大尺度能量积累诱发宏观失稳褶皱。该工作揭示了Ti3C2Tx高剪切模量与抗面外褶皱的微观机制，为基于二维材料的功能器件优化设计及其完整性与稳定性提供了科学认知，也为结构材料的损伤局部化、应变累积等损伤起源特征提供了原子尺度科学证据。
图片说明：利用MEMS装置实现对单层Ti3C2Tx纳米片的面内剪切测试
该研究成果以华东理工大学为通讯单位。我校机械与动力工程学院朱明亮教授、闫亚宾教授、张博威教授和轩福贞教授为论文的共同通讯作者。华东理工大学机械与动力工程学院博士研究生荣超、苏婷、余天昊为论文的共同第一作者。研究工作得到了国家自然科学基金创新群体、优青和面上项目以及上海市基础研究特区等项目的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-70573-2
