在材料科學(xué)領(lǐng)域，材料強(qiáng)度與韌性的倒置關(guān)系是長(zhǎng)期存在的經(jīng)典難題。三維塊體材料可以通過(guò)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、相變?cè)鲰g、纖維復(fù)合等策略實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌協(xié)同，但二維材料因其獨(dú)特的原子層結(jié)構(gòu)面臨更嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：原子級(jí)厚度賦予其接近理論極限的高強(qiáng)度（如石墨烯強(qiáng)度達(dá)130 GPa），但是超大比表面積卻導(dǎo)致裂紋極易萌生和擴(kuò)展，使其斷裂韌性遠(yuǎn)低于三維結(jié)構(gòu)材料。這種"強(qiáng)而不韌"的特性嚴(yán)重制約了二維材料的器件應(yīng)用，在大功率器件、柔性電子、可穿戴器件等需承受反復(fù)形變場(chǎng)景中的應(yīng)用。盡管研究者嘗試通過(guò)引入空位、晶界等缺陷提升韌性，但這些方法往往以犧牲材料的本征電學(xué)性能為代價(jià)，陷入"顧此失彼"的困局。

基于此，香港理工大學(xué)趙炯教授、清華大學(xué)徐志平教授與香港城市大學(xué)李淑惠教授聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在《Nature Materials》發(fā)表題為"Twist-assisted Intrinsic Toughening in Two-dimensional Transition Metal Dichalcogenides"的研究論文，開創(chuàng)性地通過(guò)扭轉(zhuǎn)工程破解二維材料強(qiáng)韌不可兼得的矛盾。研究團(tuán)隊(duì)以二硫化鉬（MoS?，WS₂）等典型過(guò)渡金屬硫族化合物（TMDs）材料為研究對(duì)象，通過(guò)精準(zhǔn)控制雙層結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)角度，成功實(shí)現(xiàn)了斷裂韌性的顯著提升。原位透射電子顯微鏡觀測(cè)顯示，當(dāng)裂紋在扭轉(zhuǎn)雙層結(jié)構(gòu)中擴(kuò)展時(shí)，上下層因晶格取向差異形成交錯(cuò)的裂紋路徑。首次斷裂發(fā)生后，上下層裂紋邊緣通過(guò)跨層自組裝形成穩(wěn)定晶界結(jié)構(gòu)，這種獨(dú)特的"裂紋自愈合"機(jī)制有效抑制了裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。該機(jī)制突破了傳統(tǒng)斷裂力學(xué)理論框架，首次在二維體系中實(shí)現(xiàn)損傷自抑制功能，為設(shè)計(jì)強(qiáng)韌一體化二維材料提供了全新范式。

這項(xiàng)跨學(xué)科研究成果不僅建立了二維材料力學(xué)-電學(xué)性能協(xié)同優(yōu)化的新范式，更將扭轉(zhuǎn)工程的應(yīng)用范疇從電子態(tài)調(diào)控拓展至力學(xué)性能設(shè)計(jì)領(lǐng)域。隨著二維扭角材料制備技術(shù)的不斷成熟，兼具優(yōu)異力學(xué)性能和奇異電學(xué)特性的新一代智能材料有望在柔性電子、仿生傳感等領(lǐng)域引發(fā)技術(shù)革新。

論文第一作者：鄭曉東，馮詩(shī)喆，曾志成

論文通訊作者：趙炯，徐志平，李淑惠

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02193-y

圖1 原位TEM觀察二維扭角MoS₂中的斷裂過(guò)程。

圖2 扭角TMDs中的晶界形成機(jī)制與裂紋尖端鈍化效應(yīng)

圖3 納米壓痕實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬確認(rèn)扭轉(zhuǎn)增韌效果。

圖4 扭轉(zhuǎn)角依賴的MoS₂斷裂韌性