力學性質（包括楊氏模量、斷裂強度等）是影響柔性器件性能的關鍵性質。理論上，單層黑磷楊氏模量具有各向異性，沿着鋸齒型（zigzag）為166 GPa，而沿着搖椅型（armchair）方向為44 GPa，與石墨烯（1 TPa）相比，黑磷烯的力學強度較低。然而黑磷烯相比大部分二維材料具有更優異的半導體性質，因此被認為是應用於傳感器件的合適候選材料。在兼顧其半導體性能的同時，如何改進黑磷烯納米結構的力學性能，對於製備出具有高強度的黑磷納米結構並應用於柔性半導體傳感器件來說具有要的科學意義。
清華大學化學系曹化強教授與英國劍橋大學材料科學與冶金系傑出研究員（Distinguished Research Fellow）/美國加州大學聖芭芭拉分校材料系研究教授（Research Professor）/新加坡國立大學材料科學與工程系傑出訪問教授（Distinguished Visiting Professor）Anthony K. Cheetham院士等合作，在《Advanced Materials》期刊上發表了題為「Ultratough Hydrogen-Bond-Bridged Phosphorene Films」的文章（DOI: 10.1002/adma.202203332）。在氫鍵橋聯高強度黑磷烯膜研究中取得重要進展，揭示楊氏模量與層間插層離子比例之間的依賴關係並提出相應的納米力學公式，進一步基於氫鍵橋聯高強度黑磷烯膜來構築柔性NO2氣體傳感器件，其傳感性能在10000次彎折後基本無損失。該公式的建立將有望推動同類低維納米結構的力學性質研究。
通過電化學陽極剝離方法，在黑磷烯層間引入四氟硼酸根離子[BF4]-和1-丁基-3-甲基咪唑陽離子（[BMIM]+為插層離子，通過插層離子與上下兩層黑磷烯之間的氫鍵作用，實現力學強度的提升。對於該複合結構，命名為氫鍵橋聯黑磷烯膜（Hydrogen-bond-Bridged Phosphorene Film，簡稱HBPF）。結構表徵證明，HBPF具有良好的結晶性及插層結構特徵。同時，原位紅外以及固體核磁結果為HBPF中氫鍵的存在提供了直接證據（圖1）。 
通過原子力顯微鏡納米壓痕方法研究HBPF的力學性質，發現HBPF的楊氏模量隨着插層離子與磷原子比例的增大先快速上升後緩慢下降，分子動力學模擬與實驗結果均顯示二者之間依賴關係滿足公式：E=
（E代表楊氏模量（GPa），x代表插層離子比例）。
進一步歸納出HBPF插層增韌的機理。首先在少量插層離子存在的情況下，氫鍵的存在可以增強層間作用力，從而改善黑磷烯的楊氏模量。之後，隨着插層離子比例的增大，插層陰離子和帶負電的上下兩層黑磷烯之間的排斥力增大，層間作用力被破壞，導致楊氏模量下降。
圖3 基於HBPF的NO2傳感器在萬次彎折前後的性能。
鑑於黑磷烯的半導體特性以及HBPF優異的力學性質，構築了基於HBPF的NO2柔性傳感器（圖3），器件測試結果顯示，HBPF的NO2傳感性能，在彎折10000次之後基本無衰減。同時，拉曼和紫外光譜等結果證明相比純黑磷，HBPF的穩定性獲得了顯著提升（圖4）。原文鏈接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202203332
相關進展
南京大學李紹春教授課題組/中國科大朱文光教授課題組Nano Lett.：成功實現具有黑磷結構的窄帶隙半導體型單層銻烯
吉林大學張文科教授課題組《Macromolecules》展望：聚合物鏈的單分子操縱 - 從納米力學性質到動態結構演變
天津工業大學李秋瑾副教授、鞏繼賢教授課題組《ACS AMI》：AuNWs/Textiles高靈敏度可水洗柔性傳感器
化學與材料科學原創文章。歡迎個人轉發和分享，刊物或媒體如需轉載，請聯繫郵箱：chen@chemshow.cn
歡迎專家學者提供化學化工、材料科學與工程產學研方面的稿件至chen@chemshow.cn，並請註明詳細聯繫信息。化學與材料科學®會及時選用推送。
留言列表