在材料科學領域，強度與彈性一直是難以同時滿足的矛盾性能。像石墨烯這類無機二維材料，雖然楊氏模量很高，但結構調整的靈活性不足；而傳統聚酰胺等有機二維聚合物，彈性和結構可調性不錯，可楊氏模量通常只有1到10 GPa，滿足不了高強度應用的需求。這種性能上的矛盾，讓二維材料在柔性電子、高性能防護等領域的實際應用受到了很大限制。

最近，中國科學技術大學劉波教授帶領的團隊，通過對分子結構的精準設計和層間相互作用的調控，成功研制出一系列二維聚酰胺材料。其中GH-TMC薄膜的表現尤為突出，它的楊氏模量達到了35.6 GPa，硬度為2.0 GPa，彈性回復率更是高達60%，一下子打破了傳統二維材料在強度和彈性之間難以兼顧的技術瓶頸。該材料的綜合力學性能不僅超過了大多數聚合物和金屬材料，還優(yōu)于主流的MOF與COF材料，為柔性電子、高性能防護涂層以及能源器件等領域的材料升級提供了全新的解決辦法。相關研究成果以“Manipulating mechanical strength of isoreticular two-dimensional polyamide materials via multiple interactions”為題，發(fā)表在了《自然·通訊》雜志上。

圖1. 一系列二維聚酰胺薄膜結構單元及其相應的楊氏模量值

具體來說，研究團隊提出了“剛性單元微型化和多重弱相互作用協同”的創(chuàng)新策略。一方面，他們縮小了二維聚酰胺的結構單元尺寸，這樣做能提高共價鍵密度和共價網絡的剛性。結構單元越小，材料的楊氏模量就越高，比如GH-TMC采用的是六元環(huán)小結構單元，它的模量明顯高于使用更大環(huán)單元的GH-BTCA、Melem-TPC等材料（如圖1所示）。另一方面，團隊巧妙地引入了由氫鍵、π-π堆疊和錯位靜電作用構成的三重相互作用網絡。其中，面內的高密度氫鍵增強了分子的剛性，邊緣氫鍵的可逆斷裂與重構為材料提供了彈性回復能力，而胍陽離子與氯離子的錯位靜電作用以及層間的π-π堆疊則穩(wěn)定了納米片的堆疊結構，避免了層間滑移造成的性能損失。

為了驗證材料性能的可靠性，團隊采用了原子力顯微鏡（AFM）峰力定量納米力學成像（PF-QNM）和原位掃描電子顯微鏡（SEM）納米壓痕技術進行雙重表征。結果顯示，GH-TMC薄膜的力學性能具有出色的均勻性。不同測試區(qū)域的楊氏模量和硬度偏差非常小，即使在700 nm深度進行連續(xù)6次壓痕測試，應力位移曲線依然保持穩(wěn)定，而且沒有明顯的塑性殘留，這證明了該材料在高強度下的結構穩(wěn)定性。更值得注意的是，該材料的H3/E?值明顯高于傳統聚合物和金屬，這意味著它在高頻摩擦的場景中能擁有更長的使用壽命。同時，60%的彈性回復率讓它能夠適應柔性基底反復彎折的需求，完美地彌補了無機材料剛性和有機材料強度之間的差距。

這項研究的核心價值不僅僅在于開發(fā)出了一種高性能的二維材料，更重要的是建立了一套“分子結構-層間相互作用-力學性能”的調控模式。通過設計剛性單元尺寸和多重弱相互作用的協同機制，為解決二維材料“強度-彈性”的問題提供了通用的策略。這個策略可以推廣到其他二維聚合物體系，未來有望通過進一步調控分子結構和相互作用類型，開發(fā)出適合不同場景的特種二維材料。比如，面向柔性生物電子的低模量高彈性版本，以及面向防護涂層的超高硬度版本等，從而推動二維材料從基礎研究走向實際應用，為先進材料領域的創(chuàng)新發(fā)展注入新的活力。

該項研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金面上項目、中央高?；究蒲袑ｍ椯Y金和安徽省自然科學基金的資助。劉波是該論文的通訊作者，博士研究生胡卿是該論文的第一作者。

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