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上海交大顏徐州、張智濤團(tuán)隊(duì) Sci. Adv.：可拉伸的[2]輪烷橋連MXene薄膜及其在電致發(fā)光器件中的應(yīng)用
2025-03-11  來源：高分子科技

  碳化鈦（Ti3C2TX）MXene作為一種極具前景的二維材料，憑借其卓越的導(dǎo)電性和機(jī)械性能，近年來備受關(guān)注。然而，片層間的弱相互作用限制了高性能宏觀MXene薄膜的制備。盡管研究人員通過引入氫鍵、離子鍵和共價(jià)鍵等策略增強(qiáng)了MXene薄膜的力學(xué)性能，但在低添加劑含量（< 5%）下實(shí)現(xiàn)高伸長率仍是一大挑戰(zhàn)。高伸長率是可拉伸電子器件的關(guān)鍵性能指標(biāo)，使材料能在拉伸、扭轉(zhuǎn)和剪切等復(fù)雜應(yīng)變下保持穩(wěn)定性能，而不會發(fā)生斷裂或失效。


  針對上述問題，上海交通大學(xué)顏徐州和張智濤團(tuán)隊(duì)合作提出了一種創(chuàng)新解決方案：利用[2]輪烷的分子內(nèi)滑動特性，設(shè)計(jì)了一種可拉伸的MXene薄膜。通過機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)的分子內(nèi)滑動釋放隱藏鏈，延緩MXene片層間的滑脫，從而顯著提升薄膜的力學(xué)性能（圖1A和B）。優(yōu)異的拉伸性和韌性使MXene薄膜適用于組裝可拉伸和可圖案化的交流電致發(fā)光（ACEL）器件（圖1C），為MXene及其它二維材料在可拉伸電子器件中的應(yīng)用開辟了新途徑。


圖1. RBM薄膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、[2]輪烷增韌機(jī)理及ACEL器件組裝示意圖


  研究團(tuán)隊(duì)通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比了純MXene薄膜（MXene）、七甘醇橋連的MXene薄膜（HBM）以及[2]輪烷橋連的MXene薄膜（RBM）的力學(xué)性能（圖2A和B）。結(jié)果顯示，[2]輪烷的引入顯著提高了RBM薄膜的整體力學(xué)性能，尤其斷裂伸長率（20.0%）和韌性（11.9 MJ/m3）創(chuàng)下了低添加劑含量（< 5%）MXene薄膜的性能記錄（圖2G）。此外，RBM薄膜可在不同應(yīng)變下持續(xù)拉伸（圖2C），表現(xiàn)出優(yōu)異的可拉伸性。通過掃描電鏡觀察并比較三種薄膜拉伸斷裂后的橫斷面（圖2D-F），發(fā)現(xiàn)RBM薄膜的層狀結(jié)構(gòu)最為致密，其次是HBM薄膜，而純MXene薄膜的層狀結(jié)構(gòu)較為松散。值得注意的是，如果僅將[2]輪烷簡單引入MXene薄膜而不進(jìn)行交聯(lián)（記為MXene-[2]rotaxane-OH），薄膜的力學(xué)性能提升有限（圖2H和I），因?yàn)?/span>[2]輪烷的分子內(nèi)滑動在薄膜拉伸過程中無法發(fā)揮作用。


圖2. RBM薄膜與對照組的力學(xué)性能對比


  研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步測試了RBM薄膜在拉伸過程中的電阻變化（圖3A）。結(jié)果顯示，RBM薄膜在0%至15%應(yīng)變的500次循環(huán)拉伸中表現(xiàn)出穩(wěn)定的導(dǎo)電性（圖3B），證明了其在循環(huán)拉伸應(yīng)變下的穩(wěn)定性和可靠性。這一特性使RBM薄膜成為可拉伸電子器件的理想電極材料；RBM薄膜的優(yōu)異性能，研究團(tuán)隊(duì)成功組裝了可拉伸ACEL器件（圖3C）。該器件由RBM薄膜電極、PEDOT電極和ZnS:Cu/PDMS發(fā)光層組成，能夠在拉伸過程中保持均勻、明亮的藍(lán)光發(fā)射（圖3D, top）。ACEL器件無法承受超過20%的拉伸，這對應(yīng)了RBM薄膜的斷裂伸長率。此外，通過將PEDOT電極替換為AgNWs電極，研究團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了ACEL器件的圖案化設(shè)計(jì)，成功制備出“SJTU”、花朵、樹木等圖案（圖3D, bottom）。


圖3. RBM薄膜作為可拉伸電極在ACEL器件中的應(yīng)用


  綜上所述，該研究成果不僅為MXene薄膜的力學(xué)性能優(yōu)化提供了新思路，還為其在可拉伸電子器件中的實(shí)際應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。未來，基于機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)構(gòu)筑高性能薄膜材料的策略有望進(jìn)一步拓展到其他二維材料體系，推動柔性電子、可穿戴設(shè)備和智能傳感等領(lǐng)域的快速發(fā)展。


  該工作以“Stretchable [2]Rotaxane-Bridged MXene Films Applicable for Electroluminescent Devices”為題發(fā)表于《Science Advances》。上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士后王春雨和博士研究生高博越為該論文的共同第一作者，上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院顏徐州和張智濤為該論文的通訊作者。該項(xiàng)工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市自然科學(xué)基金、上海市教育發(fā)展基金會、上海市教委曙光計(jì)劃、上海市科技創(chuàng)新行動計(jì)劃和浙江大學(xué)上海高等研究院繁星科學(xué)基金的資助，特此感謝。


  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt8262
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