在材料工程领域，强度与韧性往往难以兼得，这一问题长期制约着新材料的设计与应用。近日，香港理工大学应用物理学系研究团队提出一项创新解决方案——通过“扭转工程”调控二维材料的双层结构，在不牺牲其原有强度的前提下显著提升韧性。相关成果已发表于国际权威期刊《自然·材料》（Nature Materials）。

研究团队负责人赵炯教授

二维材料因其高强度、低厚度及优异的电气性能，被广泛应用于柔性电子、光电器件、可穿戴设备等领域。然而，其“强度高、韧性差”的特性也成为限制其进一步应用的瓶颈。以往为了提升韧性，往往需要引入缺陷如空位或晶界，但这类方式会破坏材料本身的电子性能，造成力学与功能难以兼顾。

理大团队以过渡金属二硫化物（TMD）材料为对象，如二硫化钼（MoS₂）与二硫化钨（WS₂，探索其双层结构在“扭转”状态下的断裂行为。研究发现，经过特定角度的扭转后，双层之间的晶格错配会在裂纹扩展过程中形成“互锁”路径，并在初次断裂后实现晶界自组装。这一过程展现出“裂纹自愈合”效应，不仅能抑制裂纹进一步扩展，还能有效缓解局部应力集中，从而增强整体韧性。

原位STEM观察扭转双MoS₂的断裂过程

这一机制已通过原位透射电子显微镜观察和纳米压痕实验得到验证。研究显示，在断裂过程中，材料内部会消耗更多能量用于调节结构和自愈反应，这种能量的额外消耗换来了更高的抗裂能力。通过调控扭转角度，还能实现对韧性增强程度的精细调节。

原子尺度原位STEM结果揭示了裂纹扩展过程中晶界的形成和断裂过程

项目负责人赵炯教授表示，此项研究突破了传统断裂力学的范式，首次从实验和理论上证实了二维材料中的“自主损伤抑制”机制，为开发兼具高强度与高韧性的下一代二维材料提供了新的设计思路。他指出，这也意味着“扭电子学”这一近年新兴研究方向，正逐步从调控电子性质，拓展到材料的结构与力学性能设计中。

随着二维扭曲材料制备技术的日趋成熟，该研究有望推动新一代智能材料的发展，不仅具备优异的力学性能，同时也具备独特的电学与光学特性，在柔性电子、能源转换、量子科技、仿生传感等前沿领域展现广阔应用前景。

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