燕山大学亚稳材料全国重点实验室田永君院士团队与南京大学袁洪涛教授团队及浙江大学交叉力学中心王宏涛教授团队合作，首次在层状半导体中发现了可逆形变孪晶引发的超弹行为（图1）。研究成果以“Reversible shuffle twinning yields anisotropic tensile superelasticity in ceramic GeSe”为题，于2025年4月10日在线发表于Nature Nanotechnology期刊。

    过去，人们对晶体形变机制的认识主要基于金属及其合金。由于共价键的高强度、方向性和电子局域性特征，共价类晶体的形变机制可能与金属晶体截然不同。遗憾的是，有关共价类晶体的形变机制及其与力学性能的关联一直不明确。继对纯共价晶体形变孪晶的研究后（Nature Materials 24卷，361-368页，2025年)，田永君院士团队对共价-范德华混合键性层状晶体GeSe进行了拉伸测试，并在原子分辨条件下观察其形变过程（图2）。研究发现，当拉伸应变达到一定阈值时，GeSe晶体内部会形成条状孪晶畴，并在卸载后完全消失，表现出显著的可逆性。这一现象对应于应力-应变曲线中的非线性特征及加载-卸载循环中的回滞现象，典型地反映了超弹性行为。

    进一步研究表明，这种孪晶的形成由断键-成键机制介导：在拉伸应变作用下，面外Ge-Se键发生旋转，面内Ge-Se键经历断键和成键的变化，最终促使孪晶形成。这一机制显著不同于传统金属晶体中的位错机制。GeSe晶体中这种由可逆孪晶引发的超弹性表现出独特的优势：应变分布均匀，无体积变化，最大拉伸应变高达12.8%，优于传统马氏体相变超弹性材料。此外，超弹性仅在Zigzag方向±30°范围内发生，展现出显著的方向选择性，为性能调控提供了更大的自由度。研究还发现，GeSe的可逆孪晶超弹性在IV-VI族层状半导体材料中具有一定的普适性。这一研究将超弹性领域从传统的马氏体相变拓展至化学键重构介导的可逆孪晶新范畴，为探索新型超弹性材料及材料形变机制提供了全新视角。

图1 层状半导体GeSe中可逆孪生诱发超弹行为（摘要示意图）

图2 GeSe晶体可逆孪晶诱发的超弹性 

（a）GeSe拉伸试验；

（b）加载卸载应力-应变曲线及孪晶畴形成；

（c）高分辨透射电镜观察到的孪晶畴演化；

（d）不同应变下孪晶转变的能量和键长变化；

（e）超弹性出现的角度范围

    本项研究由燕山大学与南京大学、浙江大学合作完成，论文共同第一作者为王冲、李泽亚、程迎春，通讯作者为翁晓基、袁洪涛和聂安民。研究获得国家自然科学基金（52288102、52090022）、河北省自然科学基金（E2024203054、E2022203109）等项目支持。

来源：燕山大学亚稳材料全国重点实验室 燕山大学科学技术研究院

文字：韩阿蒙 魏林涛

排版：田宇新

责编：蔡常山 田宇新