在材料工程領域，強度與韌性往往難以兼得，這一問題長期制約著新材料的設計與應用。近日，香港理工大學應用物理學系研究團隊提出一項創新解決方案——通過“扭轉工程”調控二維材料的雙層結構，在不犧牲其原有強度的前提下顯著提升韌性。相關成果已發表于國際權威期刊《自然·材料》（Nature Materials）。

研究團隊負責人趙炯教授

二維材料因其高強度、低厚度及優異的電氣性能，被廣泛應用于柔性電子、光電器件、可穿戴設備等領域。然而，其“強度高、韌性差”的特性也成為限制其進一步應用的瓶頸。以往為了提升韌性，往往需要引入缺陷如空位或晶界，但這類方式會破壞材料本身的電子性能，造成力學與功能難以兼顧。

理大團隊以過渡金屬二硫化物（TMD）材料為對象，如二硫化鉬（MoS₂）與二硫化鎢（WS₂，探索其雙層結構在“扭轉”狀態下的斷裂行為。研究發現，經過特定角度的扭轉后，雙層之間的晶格錯配會在裂紋擴展過程中形成“互鎖”路徑，并在初次斷裂后實現晶界自組裝。這一過程展現出“裂紋自愈合”效應，不僅能抑制裂紋進一步擴展，還能有效緩解局部應力集中，從而增強整體韌性。

原位STEM觀察扭轉雙MoS₂的斷裂過程

這一機制已通過原位透射電子顯微鏡觀察和納米壓痕實驗得到驗證。研究顯示，在斷裂過程中，材料內部會消耗更多能量用于調節結構和自愈反應，這種能量的額外消耗換來了更高的抗裂能力。通過調控扭轉角度，還能實現對韌性增強程度的精細調節。

原子尺度原位STEM結果揭示了裂紋擴展過程中晶界的形成和斷裂過程

項目負責人趙炯教授表示，此項研究突破了傳統斷裂力學的范式，首次從實驗和理論上證實了二維材料中的“自主損傷抑制”機制，為開發兼具高強度與高韌性的下一代二維材料提供了新的設計思路。他指出，這也意味著“扭電子學”這一近年新興研究方向，正逐步從調控電子性質，拓展到材料的結構與力學性能設計中。

隨著二維扭曲材料制備技術的日趨成熟，該研究有望推動新一代智能材料的發展，不僅具備優異的力學性能，同時也具備獨特的電學與光學特性，在柔性電子、能源轉換、量子科技、仿生傳感等前沿領域展現廣闊應用前景。

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