近日，由香港理工大学、香港城市大学、清华大学等多家机构的研究人员合作完成的一项突破性研究在《Nature Materials》期刊上发表。该研究团队包括主要作者郑晓东、冯士哲、曾志成、Thi Quoc Huy、韩伟、黄乐荣、刘海君、李振声、刘树平、Thuc Hue Ly、徐志平及赵炯。论文于2025年10月正式见刊。这项研究首次揭示了一种无需牺牲强度的二维材料本征增韧策略：通过简单地对二维过渡金属二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）层进行旋转（扭转），即可大幅提升其断裂韧性，为解决二维材料固有的“强而脆”难题开辟了新途径。
这项研究处于材料科学与力学的前沿交叉领域，特别是二维材料和扭转电子学（Twistronics）。二维材料，如石墨烯、六方氮化硼以及TMDs，因其优异的电学、光学和机械性能而备受瞩目。然而，一个长期存在的瓶颈是，二维材料虽然具有极高的本征强度，但其断裂韧性极低，表现为极端脆性。这意味着在实际器件制造和应用（如柔性电子、光电器件）中，微小的缺陷或应力集中极易导致材料发生灾难性断裂，严重影响器件的可靠性和寿命。此外，随着扭转电子学的兴起，通过精确控制二维材料层间转角来调控其电子能带结构已成为研究热点。但在器件制备过程中不可避免地涉及材料的撕裂与堆叠，因此，理解并改善扭转双层结构的力学性能，对于实现高性能、高可靠性的扭转电子学器件至关重要。以往增强二维材料韧性的策略，如引入空位、位错或晶界（Grain Boundaries, GBs）等缺陷，往往以牺牲材料的强度或其他本征物理性质为代价，且多数研究停留在理论模拟阶段，缺乏确凿的实验验证。因此，开发一种不损害材料本征性能的、内禀的增韧方法具有重大意义。本研究旨在探索通过层间扭转这一简单物理操作，能否在保持TMDs单晶强度的同时，从根本上提升其抵抗裂纹扩展的能力，并阐明其微观机理。
本研究采用了多尺度、多技术联用的综合研究范式，工作流程系统而严谨，主要包含以下几个核心步骤：
首先，是扭转双层TMDs材料的可控合成与表征。 研究团队采用化学气相沉积法合成了具有不同扭转角（θ）的双层二硫化钼（MoS₂）和二硫化钨（WS₂）样品。通过控制生长条件，实现了从0°（无扭转）到较大角度（如54°）的扭转双层结构的制备。利用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和快速傅里叶变换（FFT）对材料的原子结构及精确的扭转角进行了确认。这一步为后续的力学测试提供了结构明确的研究对象。
其次，是借助原位扫描透射电子显微镜对断裂过程的原子尺度实时观测。 这是本研究的核心实验环节。研究人员在透射电镜内，利用高能电子束在样品上预先制造一个孔洞以引发裂纹。随后，在HAADF-STEM模式下，以可控的、不致造成辐照损伤的电子剂量，对裂纹尖端进行原子级分辨的实时成像观察。为了促进裂纹持续扩展，他们创新性地在TEM模式和STEM模式间切换：先用STEM记录裂纹尖端的原子结构，再切换回TEM模式用电子束辐照初始孔洞以提供驱动裂纹扩展的“能量”，如此循环往复。这种自创的原位观测方法，使得捕捉动态、瞬态的断裂过程成为可能。研究观察了扭转角分别为9°、30°和54°的双层MoS₂的断裂行为。为排除电子束潜在的影响，研究还辅以80 kV低压原位TEM纳米机械手实验和原子力显微镜（AFM）纳米压痕实验进行交叉验证，确保了观察到的现象是本征力学行为。
第三，是纳米压痕实验定量测量断裂韧性。 为了定量评估扭转角对材料断裂韧性的影响，研究团队进行了AFM纳米压痕实验。他们首先通过聚焦离子束在待测的双层MoS₂样品上预制裂纹，然后使用AFM硅探针在薄膜中心施加载荷，直至材料断裂，记录力-深度曲线。通过线性弹性断裂力学和格里菲斯准则，结合已知的二维弹性模量、预制裂纹长度等参数，计算出材料的应力强度因子（K_c）和临界应变能释放率（G_c），即断裂韧性的量化指标。实验对比了无扭转（θ=0°）与具有不同扭转角（如11°、23°）的双层MoS₂的断裂韧性值。
第四，是理论计算与模拟深入揭示机理。 本研究综合运用了密度泛函理论（DFT）、分子动力学（MD）模拟和有限元分析（FEA）等多种理论工具。DFT计算用于比较完整晶界与裸露裂纹边缘的形成能，从能量上证明裂纹边缘愈合形成晶界是一个无势垒的、能量有利的过程。MD模拟则基于实验观察到的原子构型，构建了包含晶界的扭转双层MoS₂模型，对其施加单轴拉伸，模拟整个断裂过程，计算应力-应变曲线，并采用等效区域积分法计算J积分来定量评估增韧效果。有限元分析则通过建立内聚力模型，模拟了晶界桥联区域对裂纹扩展的阻碍作用，以及其对整体韧性的贡献。
最后，是系统的数据分析与关联。 研究对HAADF-STEM图像进行了几何相位分析（GPA）和离散化原子应变分析，定量比较了扭转与无扭转样品裂纹尖端的应变集中情况。此外，还系统测量和统计了裂纹尖端张开角（CTOA）和愈合后形成的晶界角（α）与扭转角（θ）之间的关系，建立了几何参数与韧性增强之间的定量关联。
通过上述周密的工作流程，研究取得了系列重要结果，环环相扣地揭示了扭转增韧的微观机制：
在原位STEM观测中，研究首次直接捕捉到扭转双层MoS₂中独特的“顺序断裂”事件。与无扭转双层中裂纹沿同一方向同时穿透两层不同，在扭转双层中，由于晶格取向不同，裂纹在顶层和底层中倾向于沿各自能量最低的锯齿形方向独立扩展。随着裂纹扩展和层间范德华滑动，来自不同层的裂纹边缘会逐渐靠近，并自发地重新键合，形成一个横跨两层的、稳定的单层晶界。这个过程被称为“裂纹愈合”。随后，在持续的外加载荷下，这个新形成的晶界会发生“二次断裂”，最终导致材料完全失效。这一过程在WS₂中也得到了验证，表明其具有普适性。DFT计算证实，形成晶界的能量密度远低于维持两个自由裂纹边缘的能量，从热力学上驱动了愈合过程的发生。
纳米压痕实验的定量结果强有力地支撑了原位观察的结论。测量表明，扭转双层MoS₂的断裂韧性（G_c ≈ 4.95 J/m²）显著高于无扭转双层（G_c ≈ 2.39 J/m²），提升幅度最高可达约1.9倍。并且，断裂韧性表现出对扭转角的依赖性。在断裂后的样品中，AFM和STEM观察到了粗糙的、“锯齿状”的裂纹边缘，这与晶界二次断裂的形貌特征一致，而与无扭转样品尖锐平滑的裂纹边缘形成鲜明对比，为扭转增韧提供了间接但有力的形貌证据。
理论模拟结果与实验完美吻合。MD模拟成功复现了从裂纹愈合、晶界形成到二次断裂的全过程。模拟的应力-应变曲线显示，含有晶界的结构其裂纹启裂临界应力和应变均显著高于不含晶界的结构。通过J积分计算定量得出，对于一个长度约10.4 nm的晶界桥联区域，其贡献使断裂韧性提升了约2.05倍。有限元分析进一步表明，晶界作为一个额外的内聚力区域，可以储存弹性能，导致应力-应变曲线出现第二个峰值，需要额外输入能量才能使其断裂，从而提升了整体韧性。
深入的分析揭示了增韧的多重机理和角度依赖性。几何相位分析表明，愈合形成的晶界有效“钝化”了裂纹尖端，降低了其局部的应变集中，起到了类似传统材料中裂纹桥联或塑性区的作用。同时，初始裂纹在不同层中沿不同方向扩展产生的“锯齿状”裂纹路径，以及晶界二次断裂产生更精细的锯齿结构，都增加了裂纹扩展的表面积，消耗了更多能量。研究还建立了几何关系：晶界角α ≈ θ ± β（β为裂纹尖端张开角）。随着扭转角θ增大，CTOA (β) 和晶界角 (α) 也相应增大。在约30°时，晶界角达到最大值（由于六角对称性），对应的断裂韧性也达到峰值。这清晰地解释了扭转角依赖性的物理起源：更大的扭转角导致愈合后形成的晶界具有更高的位错密度和更强的桥联/内聚力，从而需要更多能量使其发生二次断裂。
基于以上结果，本研究得出明确结论：简单地扭转二维TMDs材料的层间角度，可以作为一种高效且本征的增韧策略。这种增韧主要通过“顺序断裂”机制实现：初始裂纹在不同层中分叉扩展，随后发生跨层愈合形成稳定晶界，该晶界通过钝化裂纹尖端、储存弹性能并最终发生二次断裂来消耗额外的机械能，从而显著提升材料的断裂韧性，且这一效果可通过调整扭转角进行调控。至关重要的是，MD模拟证实，这种增韧效果并未以牺牲材料的本征强度为代价，扭转双层与无扭转双层具有几乎相同的理论强度。
这项研究的科学价值与应用前景十分重大。在科学层面，它首次在原子尺度上揭示并证实了二维材料中通过拓扑结构设计（扭转）实现本征增韧的全新物理机制，将扭转角这一在电子学中调控能带的关键参数，拓展为力学性能（韧性）的核心调控“旋钮”，丰富了二维材料力学与扭转电子学的研究内涵。在应用层面，该发现为设计和制造兼具高强度、高韧性及新奇电子特性的下一代二维材料器件提供了革命性思路。特别是在对机械可靠性要求极高的柔性电子、可穿戴设备以及新兴的扭转电子学/光子学器件领域，通过精心设计层间转角，可以在不引入外来缺陷、不损害电学性能的前提下，大幅提升器件在制造和使用过程中的抗断裂能力和寿命，具有重要的工程应用价值。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：第一，发现新颖：首次发现并命名了扭转二维材料中的“顺序断裂”与“裂纹愈合”现象，并明确将其与韧性提升相关联。第二，方法创新：发展了独特的原位STEM观测方法（模式切换），实现了对动态断裂过程原子级细节的捕捉，将直观实验证据与定量力学测试、多尺度理论模拟紧密结合，构成了完整证据链。第三，机理清晰：不仅观察到了现象，还通过DFT、MD、FEA等多重手段，从能量、动力学、连续介质力学多个尺度阐明了增韧的微观机理和角度依赖性规律。第四，结论有力：明确证明了“增韧不损强”这一材料学家长期追求的目标在扭转二维体系中可以实现。第五，普适性强：在MoS₂和WS₂两种典型TMDs中都观察到了相同现象，预示着该机制可能适用于更广泛的二维材料体系。
此外，研究中对电子束效应的严格排除、对晶界形成能量的精确计算、对J积分在原子尺度应用方法的验证等细节，都体现了工作的严谨性和深度。这项研究为二维材料力学性能的主动设计与优化开启了新篇章，必将推动相关基础研究和应用技术的快速发展。