华东理工大学，Nature Communications！

纳米人

2026-03-17

研究背景

二维（2D）过渡金属碳化物和氮化物（MXenes），以Ti₃C₂T_x为代表，具有优异的机械和电学性能，使其成为航空航天、结构膜和柔性电子产品的理想候选材料。在实际应用中，组件单元所经历的机械应力会显著影响功能性纳米器件的性能和稳定性。因此，全面了解二维Ti3C2Tx在不同加载条件下的机械性能至关重要。尽管单层Ti₃C₂T_x在单轴拉伸条件下的机械性能已经通过实验和原子模拟方法得到了广泛研究，但在剪切加载条件下单层Ti₃C₂T_x的面内机械性能仍是一个未被探索的领域。这一空白主要是由于微纳米力学测试技术的局限性以及缺乏标准化测试协议所致。当前，相关研究主要集中在单层二维材料的界面剪切模量和层间剪切应力的探究上，包括基于探针的黏附力测量，加压气泡法，以及原子力显微镜（AFM）纳米压痕策略。然而，这些方法难以揭示二维材料的平面内剪切力学行为，并掩盖了其固有的剪切力学性质。因此，迫切需要一种直接、定量和可靠的方法来研究单层Ti₃C₂T_x纳米片的面内剪切性质。

为了解决上述的科学问题，华东理工大学轩福贞教授、张博威教授、闫亚宾教授、朱明亮教授等人在Nature Communications 上发表了题为 “Shear properties and stable wrinkle resistance in 2D Ti₃C₂T_x MXene monolayers” 的研究论文。该团队通过改进的干转移方法和精确控制的聚焦离子束（FIB）技术将大尺寸单层Ti₃C₂T_x纳米片固定在纳米机械测试装置上，采用“Push-To-Shear”（PTS）策略施加面内剪切载荷。直接测量了单层Ti₃C₂T_x纳米片的面内剪切模量和剪切强度，并观察到了稳定的褶皱抵抗性，这不同于单层石墨烯的行为。 此外，单层Ti₃C₂T_x的原位剪切实验观察结果通过模拟得到了验证。我们的研究结果表明，MXene可以打破二维原子级薄材料通常具有的超低剪切性能和褶皱不稳定性这一传统认识。本研究展示了二维Ti₃C₂T_x MXene在需要特定机械性能和强大性能的结构复合薄膜和柔性电子产品中具有重要的应用潜力。

研究亮点

1，通过独特的干转移策略和精准的Pt沉积技术，实现了单层纳米片的成功转移，得到了固定在PTS测试芯片上的样品，为后续机械性质的测量奠定了基础。

2，结合STEM和分子模型测定了被测样品的厚度，并通过TEM证明了被测样品的单晶性质和高质量，为面内剪切模量、剪切强度的计算提供了重要参数。

3，计算得到单层Ti₃C₂T_x的实际面内剪切模量约为278.8 GPa。在第二阶段，观察到样品实际剪切刚度逐渐降低。然而，样品未表现出二维材料的预期褶皱失稳行为，仍保持较强的褶皱抗性。在第三阶段，对单层Ti₃C₂T_x施加进一步剪切载荷，有效剪切模量最终稳定于110.7 GPa。

4，通过分子动力学（MD）模拟确认了样品的变形保持在平面内。这些原子层之间的相互作用可以有效传递剪切应力，从而导致高平面内剪切模量和较强的褶皱抵抗能力。

图文解读

图1. 利用机械手和FIB实现对单层Ti₃C₂T_x纳米片的干法转移。

图2. 单层Ti₃C₂T_x纳米片在原位剪切实验中的表征。

图3. 单层Ti₃C₂T_x纳米片的剪切性质。

图4. 剪切载荷下单层Ti₃C₂T_x与单层石墨烯的分子动力学模拟及性能比较。

结论

综上所述，这项研究通过开发优化的转移技术和PTS纳米力学装置，成功地对单层Ti₃C₂T_x纳米片进行了原位平面剪切实验。这种方法克服了传统微-纳米力学技术的局限性，后者仅能测量二维材料的表/界面剪切模量和层间剪切应力。PTS装置能够直接且可靠地确定单层Ti₃C₂T_x的固有剪切性能。单层Ti₃C₂T_x的平面剪切模量为278.8 ± 7.4 GPa，有效剪切模量在加载过程中由于局部应变而略有下降，但仍保持在相对较高的水平，为110.7 ± 9.7 GPa，这与其有效杨氏模量（约484 GPa）处于同一数量级。 本研究突显了单层Ti₃C₂T_x在各种加载条件下的优异机械性能，展示了其在实际工程应用中的潜力，包括纳米机电设备、结构复合薄膜、柔性电子器件等需要具有优异机械性能的加工材料的领域。此外，单层Ti₃C₂T_x的有效剪切断裂强度为18.6 ± 2.0 GPa，平均剪切断裂应变为约8.6%，并且具有稳定的抗面外褶皱性能，显著优于单层石墨烯的低剪切性能和褶皱不稳定性。这项工作证实了单层Ti₃C₂T_x的独特机械性能，使其区别于其他二维材料，并为未来基于二维材料的功能性器件的结构完整性和性能稳定性提供了宝贵的见解。

文献信息：

Chao Rong#, Ting Su#, Tianhao Yu#, Xiaoyuan Wang, Tianshu Chu, Mingliang Zhu,* Yabin Yan,* Bowei Zhang* & Fu-Zhen Xuan*. Shear properties and stable wrinkle resistance in 2D Ti3C2Tx MXene monolayers. Nature Communications 2026, 17, 2411.

https://doi.org/10.1038/s41467-026-70573-2