上海交大颜徐州、张智涛团队 Sci. Adv.：可拉伸的[2]轮烷桥连MXene薄膜及其在电致发光器件中的应用

高分子科技

2025-03-11

导读：为MXene薄膜的力学性能优化提供了新思路...

点击上方“蓝字” 一键订阅

碳化钛（Ti₃C₂T_X）MXene作为一种极具前景的二维材料，凭借其卓越的导电性和机械性能，近年来备受关注。然而，片层间的弱相互作用限制了高性能宏观MXene薄膜的制备。尽管研究人员通过引入氢键、离子键和共价键等策略增强了MXene薄膜的力学性能，但在低添加剂含量（< 5%）下实现高伸长率仍是一大挑战。高伸长率是可拉伸电子器件的关键性能指标，使材料能在拉伸、扭转和剪切等复杂应变下保持稳定性能，而不会发生断裂或失效。

针对上述问题，上海交通大学颜徐州和张智涛团队合作提出了一种创新解决方案：利用[2]轮烷的分子内滑动特性，设计了一种可拉伸的MXene薄膜。通过机械互锁结构的分子内滑动释放隐藏链，延缓MXene片层间的滑脱，从而显著提升薄膜的力学性能（图1A和B）。优异的拉伸性和韧性使MXene薄膜适用于组装可拉伸和可图案化的交流电致发光（ACEL）器件（图1C），为MXene及其它二维材料在可拉伸电子器件中的应用开辟了新途径。

图1. RBM薄膜的结构设计、[2]轮烷增韧机理及ACEL器件组装示意图

研究团队通过应力-应变曲线对比了纯MXene薄膜（MXene）、七甘醇桥连的MXene薄膜（HBM）以及[2]轮烷桥连的MXene薄膜（RBM）的力学性能（图2A和B）。结果显示，[2]轮烷的引入显著提高了RBM薄膜的整体力学性能，尤其断裂伸长率（20.0%）和韧性（11.9 MJ/m³）创下了低添加剂含量（< 5%）MXene薄膜的性能记录（图2G）。此外，RBM薄膜可在不同应变下持续拉伸（图2C），表现出优异的可拉伸性。通过扫描电镜观察并比较三种薄膜拉伸断裂后的横断面（图2D-F），发现RBM薄膜的层状结构最为致密，其次是HBM薄膜，而纯MXene薄膜的层状结构较为松散。值得注意的是，如果仅将[2]轮烷简单引入MXene薄膜而不进行交联（记为MXene-[2]rotaxane-OH），薄膜的力学性能提升有限（图2H和I），因为[2]轮烷的分子内滑动在薄膜拉伸过程中无法发挥作用。

图2. RBM薄膜与对照组的力学性能对比

研究团队进一步测试了RBM薄膜在拉伸过程中的电阻变化（图3A）。结果显示，RBM薄膜在0%至15%应变的500次循环拉伸中表现出稳定的导电性（图3B），证明了其在循环拉伸应变下的稳定性和可靠性。这一特性使RBM薄膜成为可拉伸电子器件的理想电极材料。基于RBM薄膜的优异性能，研究团队成功组装了可拉伸ACEL器件（图3C）。该器件由RBM薄膜电极、PEDOT电极和ZnS:Cu/PDMS发光层组成，能够在拉伸过程中保持均匀、明亮的蓝光发射（图3D, top）。ACEL器件无法承受超过20%的拉伸，这对应了RBM薄膜的断裂伸长率。此外，通过将PEDOT电极替换为AgNWs电极，研究团队还实现了ACEL器件的图案化设计，成功制备出“SJTU”、花朵、树木等图案（图3D, bottom）。

图3. RBM薄膜作为可拉伸电极在ACEL器件中的应用

综上所述，该研究成果不仅为MXene薄膜的力学性能优化提供了新思路，还为其在可拉伸电子器件中的实际应用奠定了重要基础。未来，基于机械互锁结构构筑高性能薄膜材料的策略有望进一步拓展到其他二维材料体系，推动柔性电子、可穿戴设备和智能传感等领域的快速发展。

该工作以“Stretchable [2]Rotaxane-Bridged MXene Films Applicable for Electroluminescent Devices”为题发表于《Science Advances》。上海交通大学化学化工学院博士后王春雨和博士研究生高博越为该论文的共同第一作者，上海交通大学化学化工学院颜徐州和张智涛为该论文的通讯作者。该项工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市自然科学基金、上海市教育发展基金会、上海市教委曙光计划、上海市科技创新行动计划和浙江大学上海高等研究院繁星科学基金的资助，特此感谢。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt8262

上海交大梁正/颜徐州 JACS：超耐用且快释放的超分子粘结剂用于高性能、可持续硅基负极

上海交大梁正、颜徐州 PNAS：高性能锂金属电池隔膜电子云设计最新成果

上海交大颜徐州、姜学松团队合作《Nat. Commun.》：机械互锁聚合物褶皱调控新机制

上海交通大学颜徐州课题组本科生 Angew：探究动态高分子中交联模式与机械性能的内在关系

上海交大颜徐州课题组 Angew：微观形貌与机械性能可调的机械互锁气凝胶

上海交大颜徐州课题组 CCS Chem.综述：双重动态键对聚合物网络松弛的协同加速

上海交大颜徐州课题组《Chem》：简易高效制备机械互锁[an]雏菊链网络

上海交大颜徐州课题组 Angew：基于穴醚主客体交联构筑高强高韧的超分子聚合物网络

上海交大颜徐州课题组 JACS：解析[c2]雏菊链的微观运动与其机械互锁聚合物宏观机械性能间的内在关联

上海交大颜徐州课题组《Nat. Commun.》：机械互锁聚合物网络中高密度[2]轮烷微观运动的集成放大