文章来源：低维材料前沿、FUTURE | 远见
研究背景
二维材料是指厚度仅为几个原子层的材料，因其在电子、光学、力学等领域的优异性能，广泛应用于柔性电子学、光电器件、传感器等高科技领域。与传统的三维材料相比，二维材料具有优异的力学强度、电子迁移率和热导率等特点，尤其在纳米尺度下表现出巨大的应用潜力。然而，尽管二维材料具有卓越的机械强度，但其本质的脆性导致了较低的断裂韧性，这限制了其在实际应用中的可靠性，尤其是在需要承受外力和机械应变的领域，如柔性电子器件和扭曲异质结设备等。因此，如何在不牺牲强度的情况下提高二维材料的断裂韧性，成为了当前研究的关键挑战。
研究内容
鉴于此，香港理工大学赵炯教授、清华大学徐志平教授与香港城市大学李淑惠教授联合团队在Nature Materials期刊上发表了题为「Twist-assisted intrinsic toughening in two-dimensional transition metal dichalcogenides」的最新论文。该团队通过对双层过渡金属硫族化合物（如二硫化钼和二硫化钨）的研究，发现扭转双层结构能够显著提高材料的断裂韧性，而不会牺牲其强度。该团队通过原位球差校正透射电子显微镜、纳米压痕实验以及理论分析，揭示了扭转角度对材料断裂韧性的影响。
研究表明，扭转结构能够使得裂纹在传播过程中形成晶界，进而通过自愈合机制有效提升断裂韧性。这种机制与传统的脆性断裂机制截然不同，不仅避免了裂纹的直接扩展，还通过增强的晶界提供了额外的能量消耗，提升了材料的机械韧性。此外，研究还表明，扭转角度可以调节断裂韧性的增强程度，从而为二维材料的应用提供了新的思路。
通过这一研究，科学家成功实现了在保留材料强度的同时，显著提高了二维材料的断裂韧性，为二维材料在柔性电子学、光电器件及扭曲异质结设备等领域的应用提供了新的技术路径。这一成果不仅突破了传统增韧方法的局限，也为未来材料的设计与应用开辟了新的可能。
图文导读
（1）实验首次通过原位透射电子显微镜、纳米压痕实验和理论分析，揭示了扭转双层过渡金属硫族化合物（如二硫化钼和二硫化钨）相比于未扭转和有序堆叠的二维材料，表现出显著的断裂韧性增强。
（2）实验通过观察扭转双层材料的裂纹传播过程，发现裂纹边缘的自发跨层愈合形成了晶界，这一过程导致了二次断裂，从而增加了材料的断裂韧性。该机制通过提供额外的弹性能量消耗，提高了材料的韧性，同时没有牺牲其强度。
（3）实验还发现，裂纹的传播路径呈现锯齿状，而非直线裂纹，这也是扭转双层材料断裂韧性增强的原因之一。实验结果表明，裂纹传播方向受到扭转角度的影响，随着扭转角度的增加，断裂韧性得到了增强。
（4）通过理论分析和模拟结果，确认了断裂韧性与扭转角度之间的依赖关系，为今后通过调节扭转角度来优化材料韧性提供了新的思路。
（5）实验结果揭示了一个全新的增韧机制，即通过扭转双层结构来实现材料的自修复与断裂韧性增强。这一发现不仅拓宽了二维材料的机械性能研究，也为未来扭曲电子学的应用提供了重要的理论依据。
图1 | 原位TEM观察二维扭角MoS2中的断裂过程。
图2 | 扭角TMDs中的晶界形成机制与裂纹尖端钝化效应。
图3 | 纳米压痕实验和分子动力学模拟确认扭转增韧效果。
图4 | 扭转角依赖的MoS2断裂韧性。
结论展望
本文揭示了通过简单的层间扭转来增强双层TMDs断裂韧性的新机制，为二维材料的应用提供了重要的科学启示。首先，传统材料在增强韧性时往往会牺牲其强度，而本文提出的通过层间自愈形成晶界来提高韧性的方法，避免了这一问题。通过扭转角度的调控，裂纹在不同层之间的传播路径发生变化，晶界的形成有效提升了材料的抗裂性能，增加了裂纹扩展的能量消耗，从而使材料在保持高强度的同时获得显著的韧性提升。
这一机制不仅突破了二维材料在力学性能方面的局限性，还为未来设计和优化二维材料提供了新的思路。特别是随着moiré效应和扭转异质结构设备的兴起，这一增韧策略可能在电子、光电子等领域发挥重要作用，推动二维材料在实际应用中的发展和普及。
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02193-y
