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  近年来，二维资料因其原子级厚度和宽广的使用远景而十分重视，然而其微观制备仍面对巨大应战。因为二维资料具有显着的各向异性，面内强度高而层间相互效果弱，导致大大都资料在微观标准下难以构成接连、单晶的薄膜，且机械功能往往难以统筹高强度与高弹性，约束了其在柔性电子、防护

  近来，中国科学技术大学刘波特任研讨员课题组经过规划一系列等网状二维聚酰胺资料，成功完成了资料机械功能的协同提高。该研讨提醒，经过引进氢键、π-π堆积和静电相互效果等多种弱相互效果，并结合小尺度刚性结构单元，所制备的二维聚酰胺薄膜（GH-TMC）的杨氏模量高达35.6 GPa，硬度达2.0 GPa，弹性康复率更到达60%，其归纳机械功能逾越了大大都聚合物、金属及金属有机结构/共价有机结构资料。Nature Communications。

  研讨团队首要经过调控结构单元尺度，体系比较了多种二维聚合物的杨氏模量。成果显现，结构单元越小，资料的刚性越强，模量越高。其间，GH-TMC 具有最小的六元环结构单元，并富含三重氢键网络，其模量到达33.77 ± 4.06 GPa，显着高于其他结构相似但缺少氢键的聚合物，如GH-BTCA。

  图1. 不同结构单元的二维聚合物资料 该图展现了一系列二维聚合物结构单元及其对应的杨氏模量值。可见，结构单元越小的二维聚合物薄膜具有更高的模量，这首要源于结构单元的刚性。此外，强氢键网络的存在显着提高了杨氏模量，然后增强了二维聚合物薄膜的强度。图中杨氏模量值经过原子力显微镜的PF-QNM形式测得。数据标明为均匀值±标准差，重复次数n=3。

  进一步的结构表征标明，GH-TMC 由胍盐盐酸盐与三酰氯经过酰胺缩合反响构成六元环结构，层间采纳交织的AB堆叠方法，层间隔为3.38 Å，契合π-π相互效果的典型间隔。X射线衍射与广角X射线散射成果均证明了其面内有序结构与层间周期性摆放。此外，红外与核磁共振谱学剖析显现，每个酰胺键均匀构成约2.54个氢键，挨近高功能芳纶资料Kevlar的水平，远高于一般尼龙。

  图2. GH-TMC的结构 a，二维GH-TMC的组成道路。b，模仿的GH-TMC AB堆叠结构。为明晰起见省掉氢原子，蓝色和赤色别离代表相邻的上下两层GH-TMC单层。c，GH-TMC的粉末X射线衍射图。d，GH-TMC的广角X射线散射二维图画。e，GH-TMC的一维强度散布图。f，模仿的GH-TMC薄膜AB堆叠层间结构，层间隔为3.43 Å。g，模仿的二维GH-TMC单层中的氢键（蓝色虚线）。

  在纳米片与薄膜制备方面，GH-TMC 纳米片均匀横向尺度约为40纳米，厚度约5.7纳米，可在乙醇中杰出涣散并经过旋涂成膜。因为边际氢键、π-π堆积与静电相互效果的协同效果，纳米片能自拼装构成平坦、接连的薄膜，厚度可在20纳米至微米级之间调控，且具有十分杰出的基底搬运才能。

  图3. 二维GH-TMC纳米片与薄膜的表征 a，GH-TMC纳米片的原子力显微镜图画。b，沿a图中不一样的色彩线（从上至下：黑、红、蓝）的高度剖面。c、d，别离为a图中观察到的GH-TMC纳米片的尺度与高度散布。e，GH-TMC纳米片的透射电子显微镜图画和高分辨率原子力显微镜图画。插图：单个GH-TMC纳米片的高度剖面。f，堆叠的GH-TMC纳米片的透射电子显微镜图画和高分辨率原子力显微镜图画。插图：单个堆叠GH-TMC纳米片的高度剖面。g，硅基底及堆积于其上的GH-TMC薄膜的数码照片及成膜示意图（1厘米×1厘米），展现了错位堆叠结构、相邻单层与纳米片之间的多重相互效果。h，GH-TMC薄膜的光学显微镜图画。i、j，GH-TMC薄膜的顶视与截面扫描电子显微镜图画。k，单晶硅片上二维GH-TMC薄膜描摹的原子力显微镜图画。

  机械功能测验显现，GH-TMC 薄膜不只具有高模量与硬度，还展现出杰出的弹性康复才能。即便在大深度压痕（如700纳米）后，其应力-位移曲线仍保持稳定，弹性康复率高达60%，与橡胶资料适当。此外，其H³/E²值优于大都聚合物与金属，标明其具有优异的抗磨损功能。分子动力学模仿进一步提醒，资料内部氢键网络既增强了面内刚性，又经过边际可逆氢键的开裂与重构提高了全体耐性。

  图4. GH-TMC薄膜的机械功能表征 a，GH-TMC（酰胺）与GH-BTCA（亚胺）的结构单元比照。b、c，别离为GH-BTCA与GH-TMC薄膜的杨氏模量散布图。d、e，纳米压痕示意图及GH-TMC与GH-BTCA薄膜对应的力-位移曲线。f，GH-TMC薄膜杨氏模量与其他典型资料的比较。g，不同厚度GH-TMC薄膜及不同压痕深度下的杨氏模量与硬度联系图。h，GH-TMC薄膜在不一样的区域的力-位移曲线纳米）。i、j，GH-TMC薄膜不一样的区域经过原位扫描电子显微镜纳米压痕测得的杨氏模量与硬度。k、l，别离为GH-TMC薄膜弹性变形与塑性变形的示意图。m，GH-TMC薄膜的弹性康复率及硬度与典型聚合物、金属及陶瓷资料的比较。n，GH-TMC薄膜的H³/E²值与硬度（H）与其他典型资料（包含MOF/COF薄膜、聚合物和金属）的比较。o，二维聚酰胺（GH-TMC）与典型聚合物（PP）、金属（Al）、陶瓷（方解石）、MOF（CuBDC）和COF（TP-Azo）的机械功能雷达图，包含杨氏模量、硬度、H³/E²和弹性康复率。

  综上所述，该研讨经过减小结构单元尺度、增强氢键网络并引进多种弱相互效果，成功构建出兼具高强度与高弹性的二维聚酰胺薄膜，突破了传统资料在强度与耐性之间的权衡约束。这一策略为规划下一代高功能二维超资料供给了新思路，有望推进其在柔性电子、高端防护涂层及动力器材中的广泛使用。