Учёные добились одновременного увеличения прочности и вязкости 2D-материалов за счёт скручивания слоёв

Наблюдение процесса разрушения скрученного двухслойного MoS₂ с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Автор: Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02193-y

Прочность и вязкость инженерных материалов часто являются взаимоисключающими свойствами, что создаёт сложности при проектировании и выборе материалов. Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа из Гонконгского политехнического университета (PolyU) обнаружила инновационную стратегию: простое скручивание слоёв 2D-материалов позволяет увеличить вязкость без потери прочности.

Это открытие упрощает создание новых 2D-материалов, сочетающих высокую прочность и вязкость, что расширяет их применение в фотонных и электронных устройствах. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Materials.

Хотя 2D-материалы часто демонстрируют исключительную прочность, они крайне хрупкие. Разрушение таких материалов обычно необратимо. Эти свойства ограничивают их использование в устройствах, требующих многократной деформации, таких как мощные приборы, гибкая электроника и носимые устройства.

Попытки улучшить вязкость путём внедрения дефектов (например, вакансий и границ зёрен) часто ухудшают электронные свойства, создавая компромисс между механической долговечностью и электронной производительностью. Таким образом, одновременное увеличение прочности и вязкости материалов оставалось серьёзной проблемой.

Чтобы преодолеть эти ограничения, команда под руководством профессора Цзюн Чжао из PolyU разработала новый метод скручивания слоёв, при котором скрученные двухслойные структуры обеспечивают последовательные процессы разрушения, устраняя конфликт между прочностью и вязкостью. Результаты подтверждены наноиндентированием и теоретическим анализом.

Типичные дихалькогениды переходных металлов (TMD) — это класс 2D-материалов, известных своими уникальными электронными, оптическими и механическими свойствами. Эти характеристики позволяют их широкое применение в электронике, оптоэлектронике, накопителях энергии, сенсорах, биомедицинских устройствах и квантовых технологиях. Изучая TMD-материалы, такие как дисульфид молибдена (MoS₂) и дисульфид вольфрама (WS₂), команда обнаружила новый механизм разрушения в скрученных двухслойных структурах.

С помощью просвечивающей электронной микроскопии учёные выяснили, что при распространении трещин в скрученных структурах несовпадение ориентации кристаллических решёток между слоями приводит к образованию взаимосвязанных путей трещин.

После начального разрушения края трещин в обоих слоях спонтанно формируют стабильные структуры границ зёрен за счёт межслойной самосборки. Этот уникальный механизм «самозаживления трещин» защищает последующие концы трещин от концентрации напряжений, эффективно предотвращая их дальнейшее распространение. Важно отметить, что этот процесс требует больше энергии, чем обычное разрушение, а степень увеличения вязкости можно регулировать, изменяя угол скручивания.

«Это исследование выходит за рамки традиционной теории разрушения, впервые демонстрируя автономное подавление повреждений в 2D-материалах. Мы разработали революционную стратегию создания прочных и вязких материалов, а также расширили применение "твистроники" на механические свойства, такие как прочность. Это открывает захватывающие перспективы для разработки электронных и фотонных устройств будущего», — заявил профессор Цзюн Чжао.

По мере совершенствования технологий производства скрученных 2D-материалов новое поколение «умных» материалов, сочетающих превосходные механические свойства с уникальными электронными характеристиками, обещает прорыв в гибкой электронике, энергопреобразовании, квантовых технологиях и сенсорике.

Дополнительная информация: Xiaodong Zheng et al, Twist-assisted intrinsic toughening in two-dimensional transition metal dichalcogenides, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02193-y

Источник: Hong Kong Polytechnic University