Advanced Functional Materials:单晶高分子和单层硒化钼堆叠结构的力学表征

研究背景

结晶高分子的基本结构与性能研究一直是高分子基础与应用领域的重点和难点。难点主要在于结晶高分子是多种纳米尺度单元(比如结晶区与非晶区)复杂混合结构。如果可以在纳米尺度上测试这些不同独立单元的力学性能,可以辅助和指导理论模型的建立,从而为设计和预测高分子以及其复合材料的性能铺平道路。然而这样的测试极具挑战性。例如作为高分子的一种基本单元,高分子单晶的厚度在10-20纳米,平面尺寸在微米量级。由于高分子单晶微小的尺寸、极低的刚度和强度,其力学性能的准确测试非常困难。迄今为止,研究者还无法可靠地制备纳米压痕直接测试所需要的高分子单晶悬空试样。

成果简介

维拉诺瓦大学(Villanova University)机械工程系李波课题组和封刚课题组联合报道了通过纳米压痕技术对高分子单晶和单层硒化钼堆叠结构的力学表征。作者在单层硒化钼(1MoSe2)上堆叠聚乙烯单晶(polyethylene-single crystal, PE-SC),从而获得了PE-SC/1MoSe2复合结构,并成功地将此结构悬空到微米级别的圆孔上。作者利用纳米压痕测量与对应有限元分析,研究了此复合结构的力学性能,并通过对比测定单层硒化钼的弹性模量(237 GPa),从而测定聚乙烯单晶的面内弹性模量为32 GPa。该研究有助于推动高分子单晶及其复合材料的性能测试,建立更为完善的高分子结构与力学模型,从而在微尺度上分析设计新的高分子及其复合材料。

由于高分子单晶中相邻分子链是通过范德华力集合到一起,其刚性与强度要远弱于金属或陶瓷的单晶,所以之前研究者无法实现将高分子单晶片直接转移到微米级别的圆孔上。作者将溶液中几十微米级的PE-SC片打捞到厘米级1MoSe2上(MoSe2的基底是表面氧化的硅片)。由于1MoSe2和PE-SC的面积足够大,可以获得足够多的PE-SC/1MoSe2堆叠试样。而且还可以获得两层PE-SC(2PE-SC)和1MoSe2的堆叠试样 (2PE-SC/1MoSe2)。然后通过刻蚀氧化硅牺牲层的方法将PE-SC/1MoSe2堆叠试样转移到一个事先刻蚀好微米洞的硅片表面,以便进行后续力学测试。

图1. PE-SC/MoSe2复合结构及其悬空试样

作者利用光学显微镜、透射电镜、原子力显微镜等表征手段确认了PE-SC和MoSe2的结构特征。单层PE-SC的厚度是12.2 nm,1MoSe2的厚度是0.7 nm。

图2. PE-SC 与MoSe2 及其复合结构的表征

作者利用纳米压痕仪对试样进行了力学测试。研究显示纳米压痕仪可以准确敏感地测量相对应的微牛级接触力与纳米级位移。探头与试样之间有很强的附着力。样品变形也显示显著非弹性行为。为了更好地与弹性力学理论结果对比,作者利用纳米压痕仪的连续刚度测量CSM (continues stiffness measurement)技术对样品的弹性变形行为进行测量。由于样品及变形的复杂性,作者对CSM测量结果进行有限元分析,从而得出1MoSe2与PE-SC/1MoSe2堆叠试样的弹性模量。

图3. 1MoSe2与PE-SC/1MoSe2悬空试样的纳米压痕测量结果和对应有限元分析

作者也对样品的非弹性和断裂行为进行了测量与分析。PE-SC/1MoSe2的非弹性变形要远高于1MoSe。1MoSe2显示脆裂行为,而PE-SC/1MoSe2显示显著的非弹性断裂行为。1MoSe2的断裂强度在6 GPa左右。

图4. 样品的非弹性和断裂行为表征

总结展望

本论文首次制备并通过纳米压痕方法测试了单晶高分子及其纳米复合结构的力学性能。这种利用单层二维材料作为支撑衬底来制备单晶高分子悬空试样的方法结合纳米压痕技术可以用来表征一系列高分子单晶的力学性能。另外,单晶高分子与单层二维材料的复合结构也代表了高分子复合材料的一种基本结构单元。作者希望本文可以启发读者对不同的高分子及其复合结构进行进一步的研究, 从而为建立更为完善和精准的高分子及其复合材料的结构性能模型添砖加瓦!

通讯作者简介/课题组网址

封刚 Associate Professor, Gang.Feng@villanova.edu https://www1.villanova.edu/villanova/engineering/research/Faculty/Nano-Bio-Mechanical-Characterization.html

李波Associate Professor, bo.li@villanova.edu

https://boli751.wixsite.com/mysite-2

维拉诺瓦大学是位于美国宾夕法尼亚州费城西北郊的一所私立大学。维拉诺瓦大学成立于1842年,是宾夕法尼亚州历史最悠久,规模最大的天主教大学。2022年U.S. News美国综合性大学排名中,维拉诺瓦大学名列第49位。生活非常安全和舒适,距离费城中心12英里,非常适合中国学生读书和生活。机械工程系招收博士生,欢迎对科研感兴趣的同学联系我们。

论文信息:

Mechanical Characterization of Stacked Single-Crystal of Polyethylene and Monolayer MoSe2

Dong Zhou, Gang Feng*, Henna Khosla, Scott T Retterer, Bo Li*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202201612

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202201612