在材料科學領域，材料強度與韌性的倒置關系是長期存在的經典難題。三維塊體材料可以通過微結構設計、相變增韌、纖維復合等策略實現強韌協同，但二維材料因其獨特的原子層結構面臨更嚴峻挑戰：原子級厚度賦予其接近理論極限的高強度（如石墨烯強度達130 GPa），但是超大比表面積卻導致裂紋極易萌生和擴展，使其斷裂韌性遠低于三維結構材料。這種"強而不韌"的特性嚴重制約了二維材料的器件應用，在大功率器件、柔性電子、可穿戴器件等需承受反復形變場景中的應用。盡管研究者嘗試通過引入空位、晶界等缺陷提升韌性，但這些方法往往以犧牲材料的本征電學性能為代價，陷入"顧此失彼"的困局。

基于此，香港理工大學趙炯教授、清華大學徐志平教授與香港城市大學李淑惠教授聯合團隊在《Nature Materials》發表題為"Twist-assisted Intrinsic Toughening in Two-dimensional Transition Metal Dichalcogenides"的研究論文，開創性地通過扭轉工程破解二維材料強韌不可兼得的矛盾。研究團隊以二硫化鉬（MoS?，WS₂）等典型過渡金屬硫族化合物（TMDs）材料為研究對象，通過精準控制雙層結構扭轉角度，成功實現了斷裂韌性的顯著提升。原位透射電子顯微鏡觀測顯示，當裂紋在扭轉雙層結構中擴展時，上下層因晶格取向差異形成交錯的裂紋路徑。首次斷裂發生后，上下層裂紋邊緣通過跨層自組裝形成穩定晶界結構，這種獨特的"裂紋自愈合"機制有效抑制了裂紋的進一步擴展。該機制突破了傳統斷裂力學理論框架，首次在二維體系中實現損傷自抑制功能，為設計強韌一體化二維材料提供了全新范式。

這項跨學科研究成果不僅建立了二維材料力學-電學性能協同優化的新范式，更將扭轉工程的應用范疇從電子態調控拓展至力學性能設計領域。隨著二維扭角材料制備技術的不斷成熟，兼具優異力學性能和奇異電學特性的新一代智能材料有望在柔性電子、仿生傳感等領域引發技術革新。

論文第一作者：鄭曉東，馮詩喆，曾志成

論文通訊作者：趙炯，徐志平，李淑惠

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02193-y

圖1 原位TEM觀察二維扭角MoS₂中的斷裂過程。

圖2 扭角TMDs中的晶界形成機制與裂紋尖端鈍化效應

圖3 納米壓痕實驗和分子動力學模擬確認扭轉增韌效果。

圖4 扭轉角依賴的MoS₂斷裂韌性