第一作者：
Xiaodong Zheng, Shizhe Feng, Chi Shing Tsang
通讯作者：
Jiong Zhao
、
Zhiping Xu
、
Thuc Hue Ly
通讯单位：香港理工大学、清华大学、香港城市大学
论文
doi
：
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02193-y
二维材料（如石墨烯、六方氮化硼、过渡金属二硫属化物）因其独特的电子和机械性能备受关注，但其极低的断裂韧性成为实际应用的瓶颈。传统方法通过引入缺陷（如空位、晶界）提高韧性，但往往以牺牲强度为代价。此外，现有研究多依赖模拟，实验验证不足，且缺陷可能改变材料的本征物理化学性质。近年来，堆叠双层结构被证明可提升二维材料的机械稳定性，但具体机制尚不明确。
本文聚焦于二维过渡金属二硫属化物（
TMDs
，如
MoS
₂
、
WS
₂
），提出通过简单扭转双层结构实现本征增韧的创新策略。扭转后的双层材料在断裂过程中形成跨层晶界（
GB
），通过愈合初始裂纹、钝化裂纹尖端应力集中，并引发二次断裂，显著提升断裂韧性，同时保持材料强度不变。这一发现为二维材料在柔性电子、光电器件及
“
扭转电子学
”
领域的应用提供了重要理论基础和技术支持。
1.
扭转角度调控韧性
：通过调整双层材料的扭转角度（
θ
），裂纹路径分叉并形成晶界，断裂韧性提升可达
1.9
倍。
2.
跨层愈合与二次断裂
：初始裂纹在扭转双层中沿不同晶向扩展，通过范德华层间滑动愈合形成晶界，后续晶界二次断裂耗散额外能量。
3.
强度与韧性协同优化
：扭转增韧不牺牲材料本征强度，为二维材料力学性能的平衡提供了新范式。
图
1.
扭转双层
MoS
₂
断裂过程的原位
STEM
观察
要点：
1、
裂纹扩展路径分叉：在扭转双层中，首层（
1st
）和次层（
2nd
）的裂纹沿各自晶体的锯齿方向（
zigzag
）独立扩展，形成非对称路径（图
1c
）。
2、
跨层晶界形成：随着裂纹扩展，两层的裂纹边缘通过范德华滑动重新键合，形成单层晶界（图
1d
）。晶界由边缘位错（
Burgers
矢量为
a/3[1120]
）构成，降低系统能量。
3、
二次断裂与能量耗散：晶界在后续应力下发生二次断裂（图
1e
），形成锯齿状路径，显著增加断裂过程的总能量消耗。分子动力学模拟（图
1f-h
）复现了实验观察，证实晶界对裂纹扩展的阻力作用。
4、
该图首次从原子尺度揭示了扭转双层材料中裂纹愈合与晶界形成的动态过程，为韧性增强机制提供了直接证据
。
图
2.
晶界形成机制与裂纹尖端钝化效应
要点：
1、
晶界角度与扭转角度的关系：晶界角度
α
由扭转角度
θ
和裂纹尖端张开角（
CTOA
）
β
共同决定（
α=θ±β
）。当
θ
增大时，
α
随之增大，晶界位错密度升高（图
2a-e
）。
2、
应变场分布分析：几何相位分析（
GPA
）显示，扭转双层裂纹尖端最大拉伸应变（
ε_{xx}
）显著低于未扭转双层（图
2f
）。晶界通过钝化裂纹尖端，降低应力集中。
3、
晶界能量优势：密度泛函理论计算表明，晶界形成能（
0.05 eV/Å
）远低于自由边缘能（
0.7-0.9 eV/Å
），证实晶界愈合是能量有利过程。
4、
该图从原子结构和应变场角度阐明了晶界对裂纹扩展的抑制作用，揭示了扭转角度调控韧性的物理机制
。
图
3.
纳米压痕实验与分子动力学模拟验证增韧效果
要点：
1、
纳米压痕实验设计：通过
AFM
在预裂纹样品上施加力，测量力
-
深度曲线（图
3d
）。扭转双层的最大载荷（
F_max
）和临界应变释放率（
G_c
）均高于未扭转样品。
2、
晶界对韧性的贡献：分子动力学模拟显示，含晶界的扭转双层临界应力（
1.81 GPa
）是未含晶界结构的
1.93
倍（图
3e
）。
J
积分分析表明，晶界通过存储弹性能量使韧性提升至
2.05
倍（图
3f
）。
3、
强度保持性验证：模拟结果表明，扭转双层的拉伸强度（
~36 N/m
）与未扭转双层几乎相同（图
3g
），证实增韧不牺牲强度。
4、
该图结合实验与理论，定量证明了扭转角度和晶界对断裂韧性的协同增强作用，并验证了强度
-
韧性的平衡
。
图
4.
扭转角度依赖的断裂韧性
要点：
1、
CTOA
与扭转角度的正相关性：实验测得裂纹尖端张开角（β）随θ增加而增大（图
4a
）。当θ从
0
°增至
30
°，β从
4.77
°升至
13.13
°，表明韧性提升。
2、
晶界角度α的对称性峰：α在θ
=30
°时达到最大值（图
4b
），对应六方晶格的对称性匹配，此时韧性最优。
3、
理论模型验证：基于
Griffith
准则和
J
积分理论，推导出韧性提升与α成正比，与实验结果一致。
4、
该图系统揭示了扭转角度对韧性的调控规律，为设计高性能二维材料提供了关键参数指导
。
本文通过原位
STEM
观察、纳米压痕实验及多尺度理论模拟，提出了一种基于扭转角度的二维材料本征增韧策略。扭转双层结构通过跨层裂纹愈合形成晶界，有效钝化裂纹尖端应力，并通过二次断裂耗散能量，使断裂韧性提升至未扭转材料的
1.9
倍，且强度保持不变。扭转角度的依赖性进一步表明，
θ=30°
时增韧效果最优，与六方晶格对称性匹配相关。
这一发现不仅解决了二维材料强度与韧性的矛盾，还为
“
扭转电子学
”
器件的力学可靠性提供了新思路。未来，结合扭转角度的电子特性调控（如莫尔超晶格），该方法有望推动二维材料在柔性电子、光电器件等领域的实际应用。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-025-02193-y
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