突破瓶頸！楊氏模量35.6GPa、硬度2.0GPa，彈性回復率60%的超強薄膜材料

在材料科學領域，強度與彈性長期被視為不可調和的矛盾屬性。無機二維材料（如石墨烯、二硫化鉬）雖具備極高的楊氏模量，卻存在結構可調性差等問題；有機二維聚合物（如傳統聚酰胺、COF等）雖具備良好彈性與結構可調性，楊氏模量卻普遍局限于1-10 GPa，難以滿足高強度應用需求。這種性能矛盾嚴重制約了二維材料在柔性電子、高性能防護等領域的實際應用。

近日，中國科學技術大學劉波教授團隊通過分子結構精準設計與層間相互作用調控，成功研發出一系列二維聚酰胺材料，其中GH-TMC薄膜的楊氏模量達35.6 GPa、硬度2.0 GPa，彈性回復率更是高達60%，一舉突破傳統二維材料強度與彈性難以兼顧的技術瓶頸，其綜合力學性能不僅遠超絕大多數聚合物、金屬材料，更超越了主流MOF與COF材料，為柔性電子、高性能防護涂層及能源器件等領域的材料升級提供了全新解決方案。相關成果以“Manipulating mechanical strength of isoreticular two-dimensional polyamide materials via multiple interactions”為題發表于《自然·通訊》雜志。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-66696-7

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

具體而言，研究團隊提出“剛性單元微型化和多重弱相互作用協同”的創新策略：一方面，通過縮小二維聚酰胺的結構單元尺寸，提升共價鍵密度與共價網絡剛性。結構單元越小，材料楊氏模量越高，如GH-TMC采用六元環小結構單元，其模量顯著高于采用更大環單元的GH-BTCA、Melem-TPC等材料（圖1）；另一方面，巧妙引入氫鍵、π-π堆疊與錯位靜電作用構成的三重相互作用網絡，其中面內高密度氫鍵強化了分子剛性，邊緣氫鍵的可逆斷裂與重構為材料提供彈性回復能力，而胍陽離子與氯離子的錯位靜電作用及層間π-π堆疊則穩定了納米片堆疊結構，避免層間滑移導致的性能損失。

為驗證材料性能的可靠性，團隊采用原子力顯微鏡（AFM）峰力定量納米力學成像（PF-QNM）與原位掃描電子顯微鏡（SEM）納米壓痕技術雙重表征，結果顯示GH-TMC薄膜的力學性能具有優異均勻性。不同測試區域的楊氏模量與硬度偏差極小，即使在700 nm深度的連續6次壓痕測試中，應力位移曲線仍保持穩定，且無明顯塑性殘留，證明其在高強度下的結構穩定性。更值得關注的是，該材料的H3/E?值顯著高于傳統聚合物與金屬，意味著其在高頻摩擦場景中具備更長使用壽命，而60%的彈性回復率則使其可適配柔性基底的反復彎折需求，完美彌合了無機材料剛性與有機材料強度之間的鴻溝。

這項研究的核心價值不僅在于開發出一種高性能二維材料，更在于建立一套“分子結構-層間相互作用-力學性能”的調控范式。通過設計剛性單元尺寸與多重弱相互作用的協同機制，為解決二維材料“強度-彈性”問題提供了通用策略。該策略可推廣至其他二維聚合物體系，未來有望通過進一步調控分子結構與相互作用類型，開發出適配不同場景的特種二維材料，例如面向柔性生物電子的低模量高彈性版本、面向防護涂層的超高硬度版本等，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新發展注入新動力。

該項研究受到國家重點研發計劃，國家自然科學基金面上項目、中央高校基本科研專項資金和安徽省自然科學基金的資助。劉波為該論文的通訊作者，博士研究生胡卿為該論文的第一作者。

本文來自：中國科學技術大學。

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