MXene界面的界面剪切强度

《Cell Reports Physical Science》：Interfacial shear strength of MXene interfaces

Ti3C2Tx MXene同质界面与异质界面剪切强度研究基于摩擦力显微镜与DFT计算，发现同质界面（Ti3C2Tx-Ti3C2Tx）具有最高剪切强度（6.42 MPa）和粘附能（1.29 J/m2），异质界面（如Ti3C2Tx-石墨烯、MoS2）强度显著降低。表面官能团（-OH、-F等）通过化学键合调控电子分布，影响界面力学行为，为MXene材料设计提供新思路。

　　MXene是一类具有广泛应用前景的二维材料，其独特的物理和化学性质使其成为许多领域的研究热点。从其发现以来，MXene在能量存储、柔性电子、催化、传感器、复合材料和医疗设备等众多领域中展现出了巨大的潜力。这种材料的特性源于其结构的特殊性，其中包括由过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物组成的层状结构，以及其表面终止基团（如-O、-F、-OH、-Cl等）对材料性能的显著影响。然而，尽管MXene在各种应用中表现优异，其在重复机械负载下保持机械稳定性的能力，尤其是层间相互作用的强度，仍然是一个关键的性能指标，需要深入研究。

本研究通过摩擦力显微镜（FFM）和密度泛函理论（DFT）计算，系统地评估了Ti3C2Tx-Ti3C2Tx、Ti3C2Tx-石墨烯和Ti3C2Tx-二硫化钼（MoS2）界面的层间剪切强度（ISS）。这些界面的ISS、摩擦系数（COF）和粘附能被分别测量，结果显示Ti3C2Tx-Ti3C2Tx同质界面表现出最高的ISS、COF和粘附能。相比之下，Ti3C2Tx-石墨烯和Ti3C2Tx-MoS2异质界面则显示出较弱的相互作用，其中Ti3C2Tx-石墨烯的相互作用比Ti3C2Tx-MoS2更强。这一发现表明，MXene的同质界面在机械性能方面具有显著优势，其表现优于异质界面。

研究进一步揭示了表面终止基团对MXene界面力学行为的关键影响。通过DFT计算，我们观察到不同的终止基团对界面相互作用的调控作用。例如，H终止的MXene界面表现出最高的粘附能和ISS，而Cl终止的界面则显示出最低的粘附能。这表明，表面化学结构在调控摩擦和粘附方面起着至关重要的作用。此外，研究还发现，MXene的同质界面由于其高度匹配的晶格结构和强大的氢键作用，能够形成更稳定的界面，从而在机械性能上表现优异。

这些发现不仅揭示了MXene界面力学行为的机理，还为设计具有增强机械稳定性的MXene基界面提供了理论依据。例如，通过调控表面终止基团，可以显著改变界面的电子结构和化学键合，从而优化其在各种应用中的性能。此外，研究还强调了表面化学对MXene在机械负载下的性能影响，为未来在机械性能和摩擦学特性方面进行材料设计提供了重要的指导意义。

在实际应用中，MXene的机械性能和摩擦特性对于其在高性能材料和设备中的应用至关重要。例如，在柔性电子器件中，MXene的高ISS和粘附能可以确保材料在反复机械应力下的稳定性，从而提高其在这些应用中的可靠性。此外，在需要低摩擦和高耐用性的场景中，如润滑和减摩应用，MXene的异质界面可以被设计成具有特定性能的材料。

研究还指出，尽管MXene的同质界面表现出显著的机械性能优势，但其异质界面在某些应用中也具有独特的优势。例如，Ti3C2Tx-石墨烯界面在某些情况下可能更适合需要较低摩擦和较高滑动稳定性的应用。这表明，MXene的界面性能可以通过不同的材料组合和表面化学调控来优化，从而满足不同应用的需求。

综上所述，本研究通过实验和理论计算相结合的方法，深入探讨了MXene界面的力学行为，揭示了表面终止基团在调控层间相互作用中的关键作用。这些发现不仅为理解MXene的机械性能提供了新的视角，还为未来开发具有定制化性能的MXene基材料和界面提供了理论基础和实践指导。随着对MXene界面相互作用机制的进一步研究，可以期待其在更多领域中的应用潜力得到充分释放，为材料科学和工程带来新的突破。