MXenes（二維過渡金屬碳化物和氮化物）是一類自2011年被發現以來就引起廣泛關注的二維材料。它們具有優異的金屬導電性、親水性、分散穩定性和柔韌性。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械系統等領域展現出廣泛的應用潛力。盡管MXenes的物理和化學性質已經被廣泛研究，但關于它們的力學性質，尤其是單層MXene的彈性特性和拉伸強度的研究卻相對有限。這是因為單層MXene的納米級厚度給實驗測量帶來了極大的挑戰。以往的研究多集中在多層MXene薄膜的力學性質上，但這些研究結果并不能準確反映單層MXene的真實力學性能。此外 MXenes在實際應用中可能經歷的拉伸、彎曲和扭轉過程，也可能導致性能下降。

盡管理論預測二維Ti3C2Tx的楊氏模量高達0.502 TPa，但由于測量難度，這一理論值尚未得到實驗驗證。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Ti3C2Tx納米片的力學性質。因此，本研究針對單層Ti3C2Tx MXene納米片的力學性質進行深入研究，以期準確測量其彈性模量和拉伸強度，并通過實驗和分子動力學模擬驗證理論預測。這項研究不僅能夠為MXene材料在高性能應用中的結構穩定性和性能改進提供關鍵信息，而且還能推動對其他二維材料力學性質的深入理解。

圖1 單層Ti3C2Tx納米片的結構和轉移過程。

a. Ti3C2Tx單層結構；b. 單層Ti3C2Tx轉移過程。

圖1描述了單層Ti3C2Tx納米片成功轉移到PTP（Push-to-Pull）裝置上的關鍵步驟，這是進行原位納米力學測試的重要環節。為此，研究人員開發了一種獨特的干轉移方法，具體步驟如下：

a.制備Ti3C2Tx懸浮液：首先，制備好的單層Ti3C2Tx懸浮液滴在沒有碳膜的400目銅網上，然后進行真空干燥。

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

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

d.轉移至PTP裝置：得到的納米片被轉移到PTP微裝置中間的2.5微米拉伸區域。由于其單層特性，懸掛在納米力學裝置上的Ti3C2Tx納米片幾乎是透明的。

e.FIB切割分離：通過FIB切割，將操縱器與Ti3C2Tx納米片進行切割和分離。

這種干轉移方法的改進，使得單層Ti3C2Tx納米片能夠成功且高效地轉移到PTP裝置上，為后續的力學性能測試打下了基礎。通過這種方法，研究人員能夠確保納米片在整個轉移過程中保持完整，從而獲得準確的測試結果。

圖2 單層Ti3C2Tx納米片的測試和表征步驟。

圖2描述了單層Ti3C2Tx納米片在PTP（Push-to-Pull）納米力學裝置上的固定和形狀調整過程，以及隨后進行的拉伸測試：

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Ti3C2Tx納米片的兩端通過電子束沉積的鉑（Pt）固定在PTP納米力學裝置上。

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”機制將推力轉換為作用在Ti3C2Tx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動器的轉換值來計算，同時記錄了載荷-位移數據。

e.FIB加工后的SEM圖像：圖2b展示了FIB加工后的單層Ti3C2Tx納米片的SEM圖像。Ti3C2Tx的寬度和長度分別為5微米和2.5微米，相應的橙色箭頭方向表示樣品的拉伸方向。

這個過程確保了Ti3C2Tx納米片可以被精確地測試其力學性能，包括其彈性模量和拉伸強度。通過這種設置，研究人員能夠模擬實際應用中MXene材料可能遇到的力學條件，并測量其響應。

圖3 單層Ti3C2Tx納米片拉伸測試及模量比較。

圖3顯示了單層Ti3C2Tx納米片的原位拉伸實驗，以研究其彈性特性和拉伸強度。實驗在場發射掃描電子顯微鏡（SEM）中進行，采用位移控制的方式。在拉伸測試前，使用SEM觀察了PTP納米力學裝置的半球形壓頭，確保其與機械探頭在同一平面上。在拉伸過程中，樣品的兩端始終牢固地粘附在PTP裝置上，直到斷裂前在重疊區域沒有觀察到滑移。整個實驗過程被實時觀察并記錄（視頻見原文網站，后附）。為了計算單層Ti3C2Tx納米片的斷裂強度，需要在拉伸過程中測量樣品的伸長。通過拉伸前后的SEM快照（圖3a和b），可以看到單層Ti3C2Tx納米片在斷裂前的應變可達到3.6%。圖3c展示了樣品完全斷裂的典型脆性斷裂形態。圖3d展示了相應的載荷-位移曲線。曲線初始階段的斜率較小，是因為機械探頭剛開始接觸半球形壓頭，當僅驅動納米力學裝置的彈簧時，樣品尚未被拉伸。曲線的第二階段是樣品從松弛狀態到被拉伸的過程。第三階段的斜率代表樣品和納米力學裝置的總剛度。從紫色星號開始，樣品被拉斷，施加的載荷急劇下降。單層Ti3C2Tx納米片的實際拉伸剛度等于第三階段的總剛度減去納米力學裝置的固有剛度，計算結果約為947.7 N/m。測量的樣品區域的實際長度和寬度分別為2.5μm和5μm，計算得到2D彈性模量E2D約為473.9 N/m。本研究還進一步通過有限元方法（FEM）建模，以確定樣品的單軸應力和應變，并研究加載過程中變形和應力場的分布及演變模式。FEM分析結果顯示，應力假設比應變假設對樣品的大多數區域更為合理。因此，在單軸應力假設下，使用厚度為0.98 nm的Ti3C2Tx納米片，計算得到3D楊氏模量E3D約為484 GPa。

這些詳細的實驗步驟和分析結果為理解單層Ti3C2Tx納米片的力學行為提供了重要信息，并為進一步的應用開發提供了科學依據。

表1 單層Ti3C2Tx納米片力學行為比較

本研究通過原位PTP設備測量了單層Ti3C2Tx納米片的楊氏模量，并與其他二維材料進行了比較。實驗中測量得到的單層Ti3C2Tx的楊氏模量約為484GPa，與分子動力學（MD）模擬預測的理論值502 GPa非常接近。該結果遠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Ti3C2Tx納米片的機械性能。與其它通過類似PTP方法進行原位拉伸實驗測量的單層2D材料的機械性能相比，Ti3C2Tx MXene的有效楊氏模量高于MoSe2的平均值，但低于石墨烯。因此，Ti3C2Tx Mxene可以作為微/納電子機械系統（MEMS/NEMS）的候選材料。這些系統要求具有高機械強度。本材料還可以作為復合材料中的增強材料，作為石墨烯等二維材料的潛在替代品。

本研究還獲得了Ti3C2Tx MXene材料的工程彈性應變和其在應變工程中的潛在應用。Ti3C2Tx MXene具有約3.2%的有效工程彈性應變，并表現出脆性斷裂。這種彈性應變為MXene在應變工程中的應用提供了巨大的可能性。比如，拉伸應變會導致鈦-鈦鍵長增加，內部應力會使鈦原子的d帶中心更接近費米能級，為Ti3C2Tx納米片提供豐富的活性位點，這將增強反應物/中間體的吸附，加速催化效應。3.2%的彈性應變足以賦予Ti3C2Tx材料出色的力電化學耦合特性。這些特性可以通過機械和化學方式產生，以改變材料的結構，調整其電子結構和化學性質。這些特性還可以為Ti3C2Tx在能量存儲領域的眾多應用提供了可能性，例如通過機械化學方法調控材料結構，從而優化其在超級電容器和電池中的性能。通過施加應變和電場還可以使Ti3C2Tx MXene具有在可調帶隙電場的光學納米器件中有潛在應用。此外，Ti3C2Tx MXene的彈性特性使其適用于柔性機器人皮膚、結構復合膜、防護涂層和傳感領域的應用。

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，這些設備具有高通量測試功能，和廣泛的定制擴展能力，適合進行各種二次開放工作。