在材料科學(xué)領(lǐng)域，強度與彈性長期被視為不可調(diào)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(jié)構(gòu)可調(diào)性差等問題；有機二維聚合物（如傳統(tǒng)聚酰胺、COF等）雖具備良好彈性與結(jié)構(gòu)可調(diào)性，楊氏模量卻普遍局限于1-10 GPa，難以滿足高強度應(yīng)用需求。這種性能矛盾嚴(yán)重制約了二維材料在柔性電子、高性能防護(hù)等領(lǐng)域的實際應(yīng)用。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉波教授團(tuán)隊通過分子結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)設(shè)計與層間相互作用調(diào)控，成功研發(fā)出一系列二維聚酰胺材料，其中GH-TMC薄膜的楊氏模量達(dá)35.6 GPa、硬度2.0 GPa，彈性回復(fù)率更是高達(dá)60%，一舉突破傳統(tǒng)二維材料強度與彈性難以兼顧的技術(shù)瓶頸，其綜合力學(xué)性能不僅遠(yuǎn)超絕大多數(shù)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(hù)涂層及能源器件等領(lǐng)域的材料升級提供了全新解決方案。

具體而言，研究團(tuán)隊提出“剛性單元微型化和多重弱相互作用協(xié)同”的創(chuàng)新策略：一方面，通過縮小二維聚酰胺的結(jié)構(gòu)單元尺寸，提升共價鍵密度與共價網(wǎng)絡(luò)剛性。結(jié)構(gòu)單元越小，材料楊氏模量越高，如GH-TMC采用六元環(huán)小結(jié)構(gòu)單元，其模量顯著高于采用更大環(huán)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(gòu)成的三重相互作用網(wǎng)絡(luò)，其中面內(nèi)高密度氫鍵強化了分子剛性，邊緣氫鍵的可逆斷裂與重構(gòu)為材料提供彈性回復(fù)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(wěn)定了納米片堆疊結(jié)構(gòu)，避免層間滑移導(dǎo)致的性能損失。

為驗證材料性能的可靠性，團(tuán)隊采用原子力顯微鏡（AFM）峰力定量納米力學(xué)成像（PF-QNM）與原位掃描電子顯微鏡（SEM）納米壓痕技術(shù)雙重表征，結(jié)果顯示GH-TMC薄膜的力學(xué)性能具有優(yōu)異均勻性。不同測試區(qū)域的楊氏模量與硬度偏差極小，即使在700 nm深度的連續(xù)6次壓痕測試中，應(yīng)力位移曲線仍保持穩(wěn)定，且無明顯塑性殘留，證明其在高強度下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。更值得關(guān)注的是，該材料的H³/E?值顯著高于傳統(tǒng)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(fù)率則使其可適配柔性基底的反復(fù)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(fā)出一種高性能二維材料，更在于建立一套“分子結(jié)構(gòu)-層間相互作用-力學(xué)性能”的調(diào)控范式。通過設(shè)計剛性單元尺寸與多重弱相互作用的協(xié)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(jìn)一步調(diào)控分子結(jié)構(gòu)與相互作用類型，開發(fā)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(hù)涂層的超高硬度版本等，推動二維材料從基礎(chǔ)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，為先進(jìn)材料領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展注入新動力。

該項研究受到國家重點研發(fā)計劃，國家自然科學(xué)基金面上項目、中央高�；�本科研專項資金和安徽省自然科學(xué)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。

(關(guān)鍵字：聚酰胺)