香港城市大學楊勇團隊Nano Lett.：高強度與高延展性——可用于柔性摩擦電傳感的大面積二維鈦

導讀

鈦金屬以其高機械強度、耐腐蝕性和優越的生物相容性而聞名，在生物醫學工程與可穿戴設備領域具有廣闊的應用前景。然而，傳統的鈦金屬材料受制于強度-延展性權衡困境，表現出較低的延展性。這使得它們在可穿戴設備中的應用潛力未得到充分挖掘。

二維金屬材料由于特殊的結構及尺寸效應的作用，表現出不同于傳統材料的物理化學特性，引起了學界的廣泛關注。聚合物表面屈曲剝離技術（PSBEE）使得大面積制備二維金屬成為可能。利用PSBEE方法制備的二維鈦納米薄膜（2D Ti nanomembrane）為鈦金屬材料的性能改善及其應用提供了新的思路。

成果掠影

最近，香港城市大學的楊勇教授團隊基于自主研發的聚合物表面屈曲剝離技術（PSBEE）制備出大面積二維鈦納米薄膜（2D Ti nanomembrane，下文簡稱“二維鈦”），首次報道了該材料的優異力學性能。二維鈦具有獨特的納米尺度異質結構（包含鈦納米晶、鈦氧化物及MXene-like結構），并表現出卓越的機械強度（6-13 GPa）與延展性（25%-35%），優于迄今報道的其他鈦基材料。值得注意的是，二維鈦表現出優于其他金屬材料的摩擦電效應。這使得二維鈦可用于制備超薄、貼合表皮、且力學穩定的自供能摩擦電傳感器。

相關成果以“Ultra-Strong yet Ductile 2D Titanium Nanomaterial for On-Skin Conformal Triboelectric Sensing”為題發表在Nano Letters上。

核心創新點

這項研究首次報道了具有高機械強度與高延展性的二維鈦納米材料，并為二維鈦在新型電子器件領域（如電子皮膚、摩擦電傳感器等）的應用提供了新的思路。

數據概覽

圖1. a-d) 分散于水中的不同厚度二維鈦。 e-g) 不同厚度二維鈦的SAED 圖像. h) 不同厚度二維鈦的SAED圖通過環向積分得到的信號強度曲線，綠色和紫色豎線分別標定了HCP Ti 與 FCC TiC 對應的峰位置。i) 18nm厚二維鈦的TEM圖與SAED圖案。 j) 二維鈦的HRTEM圖。 k-n) HAADF-STEM 圖與對應的元素mapping。o, p) HRTEM下二維鈦的六角密排結構。q) 二維鈦的晶面間距與 HCP Ti 以及 Ti_n+1C_nT_x MXene 比較。r-t) HRTEM 圖像，二維鈦中存在的FCC 晶格。

圖2. 二維鈦的縱深XPS分析。 a, b) Ti 2p 軌道的XPS窄譜分析。c, d) C 1s 軌道的XPS窄譜分析。e, f) O 1s軌道能量的XPS窄譜分析。g) Ti, C, O 元素隨著XPS蝕刻時間的分布變化。 h,i) 二維鈦與傳統鈦鍍層的導電AFM（CAFM）結果（樣品電壓：-50 mV）。 j) 從CAFM結果提取得到的電流強度的線掃曲線。k) 二維鈦的flash DSC結果。 l)二維鈦的納米結構示意圖

圖 3. a) AFM力學測試的實驗設置示意圖。 b-c) 測試前后二維鈦的形貌圖。d) AFM測試下二維鈦的力-位移曲線。藍線與紅線分別代表通過純彈性與彈塑性模型模擬得到的力-位移曲線。e) 有限元模擬得到的二維鈦von Mises塑性應變分布。f) 二維鈦的裂紋TEM圖。g) 裂紋擴展區域的TEM圖與FFT圖案。h) 二維鈦與其他材料的屈服強度與延展性。 i) 用于MD計算的二維鈦原子模型。 j, k) MD模擬下二維鈦受10%拉伸及壓縮時的原子結構變化。l) MD模擬下二維鈦受拉伸及壓縮時的力-位移曲線。

圖 4. a) 轉移至指關節皮膚上的二維鈦。比例尺長度為2 cm。b-c) 指關節彎曲和伸展狀態下的二維鈦照片。比例尺長度為1 cm。 d) 表皮上二維鈦的電阻隨彎曲-伸展次數的變化。e) 表皮上摩擦電傳感器結構示意圖。f) 由PMDS與二維鈦組成的表皮上摩擦電傳感器。比例尺長度為1 cm。g) 二維鈦與其他常用金屬材料的電荷轉移密度比較。h) 表皮上二維鈦及覆蓋其上的PDMS。比例尺長度為1 mm。i) 表皮上摩擦電傳感器的縱剖面示意圖。j) 表皮上摩擦電傳感器的測試方式。比例尺長度為3cm。k) 不同撞擊刺激下表皮上摩擦電傳感器的輸出電壓。

成果啟示

總而言之，本研究通過PSBEE方法制備了橫向寬度達到厘米級別，且厚度低于50納米的二維鈦。該材料具有獨特的納米尺度異質結構，并表現出優異的屈服強度與延展性。憑借其超薄的幾何特性，優異的機械性能與摩擦電活性，二維鈦成功用于制備貼合人體表皮的自供能摩擦電傳感器。本研究表明，通過PSBEE制備的大面積二維鈦在新型柔性器件中（例如電子皮膚與可穿戴傳感器）具有廣闊的應用前景。

原文詳情

Park, Minhyuk, Qing Yu, Qing Wang, Chaojie Chen, Zhibo Zhang, Ziyin Yang, Huan Chen et al. "Ultrastrong yet Ductile 2D Titanium Nanomaterial for On-Skin Conformal Triboelectric Sensing."?Nano Letters?(2023).

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c01776