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二維材料具有超薄的原子級厚度以及優異的力學物理特性，在半導體、柔性器件、複合材料等領域有廣闊的應用前景。

單層二維材料具有極低的彎曲剛度，其二維平面結構在受到幾何約束時會發生面外形變，形成波紋、屈曲、起皺甚至折痕，對二維材料的機械、電和熱性能產生重大影響。而二維材料的力學穩定性，對於懸空二維材料在微/納米機電系統、諧振器/振盪器、納米剪紙/折紙、質子傳輸膜和納米通道等器件的應用，會直接影響器件的壽命及效益。

因此，釐清二維材料的力學穩定性機制及調控其失穩行為，對二維材料以及其他原子級厚度薄膜的力學應用尤為關鍵。由香港大學（港大）工程學院機械工程系陸洋教授領導的團隊，研發新方法用以評估及調控原子級薄膜材料的失穩行爲。

陸教授的團隊與中國科學技術大學的研究團隊合作，採用「推-剪」的策略，首次實現原位觀測單層二維材料的平面剪切變形，可控調節二維材料失穩特性，並結合理論分析和分子動力學模擬揭示了原子級薄膜多級失穩的力學原理以及調控機制。

研究成果已在學術期刊《自然通訊》發表，論文題為《調控懸空單層二維材料失穩行為》（“Tuning Instability in Suspended Monolayer 2D Materials”）。

團隊正計劃與工業界合作，開發新型原子級薄膜力學測量平台，利用原位微納米力學技術實現高通量原子級薄膜材料力學性能測量，同時實現材料器件物理性能的深度應變工程調控。

「我們的發現，突破了懸空單原子層二維材料的力學失穩行為調控難題，實現了單層石墨烯和二硫化鉬的彎曲剛度測量。研究成果還為調製原子級薄膜的納米尺度失穩形貌及其物理特性提供了新的研究方向。」陸教授說。

「我們開發了一種基於微機電系統的原位剪切裝置來控制懸浮單層二維材料的失穩行為，這實驗手段也適用於其他原子薄膜。我們又進一步研究失穩導致的二維材料褶皺形態演化，發現由褶皺波長和幅值的變化主導的二維材料有不同的失穩和恢復路徑，為評估原子級薄膜材料的失穩行為和彎曲性能提供了新的實驗力學方法。此外，與失穩過程相關的二維材料局部應力/應變和曲率變化，在物理和化學領域也有相關應用，例如通過調節褶皺形態來改變電子結構以及建立快速質子傳輸通道等方面（見圖一）。」 陸洋教授進一步解釋說。

「我們的研究實現了以二維材料為代表的原子級薄膜材料可控失穩調製，同時相比於傳統的拉伸應變工程，剪切應變能夠深度調控二維材料能帶結構，未來我們將繼續推進這項研究，最終希望實現深度應變下低維材料力學及功能一體化設計。」論文第一作者、陸教授團隊的博士後研究員侯淵博士說。

論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48345-7

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