【行业前沿】新型二维聚酰胺薄膜材料问世：突破强度与弹性兼顾难题

在材料科学领域，强度与弹性一直是难以同时满足的矛盾性能。像石墨烯这类无机二维材料，虽然杨氏模量很高，但结构调整的灵活性不足；而传统聚酰胺等有机二维聚合物，弹性和结构可调性不错，可杨氏模量通常只有1到10 GPa，满足不了高强度应用的需求。这种性能上的矛盾，让二维材料在柔性电子、高性能防护等领域的实际应用受到了很大限制。

最近，中国科学技术大学刘波教授带领的团队，通过对分子结构的精准设计和层间相互作用的调控，成功研制出一系列二维聚酰胺材料。其中GH-TMC薄膜的表现尤为突出，它的杨氏模量达到了35.6 GPa，硬度为2.0 GPa，弹性回复率更是高达60%，一下子打破了传统二维材料在强度和弹性之间难以兼顾的技术瓶颈。该材料的综合力学性能不仅超过了大多数聚合物和金属材料，还优于主流的MOF与COF材料，为柔性电子、高性能防护涂层以及能源器件等领域的材料升级提供了全新的解决办法。相关研究成果以“Manipulating mechanical strength of isoreticular two-dimensional polyamide materials via multiple interactions”为题，发表在了《自然·通讯》杂志上。

图1. 一系列二维聚酰胺薄膜结构单元及其相应的杨氏模量值

具体来说，研究团队提出了“刚性单元微型化和多重弱相互作用协同”的创新策略。一方面，他们缩小了二维聚酰胺的结构单元尺寸，这样做能提高共价键密度和共价网络的刚性。结构单元越小，材料的杨氏模量就越高，比如GH-TMC采用的是六元环小结构单元，它的模量明显高于使用更大环单元的GH-BTCA、Melem-TPC等材料（如图1所示）。另一方面，团队巧妙地引入了由氢键、π-π堆叠和错位静电作用构成的三重相互作用网络。其中，面内的高密度氢键增强了分子的刚性，边缘氢键的可逆断裂与重构为材料提供了弹性回复能力，而胍阳离子与氯离子的错位静电作用以及层间的π-π堆叠则稳定了纳米片的堆叠结构，避免了层间滑移造成的性能损失。

为了验证材料性能的可靠性，团队采用了原子力显微镜（AFM）峰力定量纳米力学成像（PF-QNM）和原位扫描电子显微镜（SEM）纳米压痕技术进行双重表征。结果显示，GH-TMC薄膜的力学性能具有出色的均匀性。不同测试区域的杨氏模量和硬度偏差非常小，即使在700 nm深度进行连续6次压痕测试，应力位移曲线依然保持稳定，而且没有明显的塑性残留，这证明了该材料在高强度下的结构稳定性。更值得注意的是，该材料的H³/E⟡值明显高于传统聚合物和金属，这意味着它在高频摩擦的场景中能拥有更长的使用寿命。同时，60%的弹性回复率让它能够适应柔性基底反复弯折的需求，完美地弥补了无机材料刚性和有机材料强度之间的差距。

这项研究的核心价值不仅仅在于开发出了一种高性能的二维材料，更重要的是建立了一套“分子结构-层间相互作用-力学性能”的调控模式。通过设计刚性单元尺寸和多重弱相互作用的协同机制，为解决二维材料“强度-弹性”的问题提供了通用的策略。这个策略可以推广到其他二维聚合物体系，未来有望通过进一步调控分子结构和相互作用类型，开发出适合不同场景的特种二维材料。比如，面向柔性生物电子的低模量高弹性版本，以及面向防护涂层的超高硬度版本等，从而推动二维材料从基础研究走向实际应用，为先进材料领域的创新发展注入新的活力。

该项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、中央高校基本科研专项资金和安徽省自然科学基金的资助。刘波是该论文的通讯作者，博士研究生胡卿是该论文的第一作者。

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