一种新型轻质聚合物薄膜可有效防止腐蚀

这款由麻省理工学院工程师开发的聚合物涂层对气体几乎不可渗透，有望用于保护太阳能电池板、机械设备、基础设施等。

麻省理工学院的研究人员开发出一种轻质聚合物薄膜，该薄膜对气体分子几乎无法穿透。这预示着它有可能用作保护性涂层，以防止太阳能电池及其他基础设施腐蚀，并能减缓包装食品和药品的老化过程。

研究人员发现，这种仅需纳米级厚度即可涂覆的聚合物，根据实验室设备的检测结果，能完全阻隔氮气及其他气体。这种程度的不可渗透性在任何聚合物中前所未见，足以与石墨烯等分子级薄晶体材料的不可渗透性相媲美。

"我们的聚合物非常特殊。它显然是通过溶液相聚合反应产生的，但其行为却像石墨烯 —— 石墨烯因其是完美晶体而不可渗透气体。然而，当你审视这种材料时，绝不会将其误认为是完美晶体，"麻省理工学院碳 P. 杜布斯化学工程教授迈克尔·斯特拉诺说道。

研究人员在《自然》杂志上描述的这款聚合物薄膜，其制造工艺可扩展至大规模生产，并且比石墨烯更容易应用于各种表面。

斯特拉诺和波士顿大学机械工程副教授斯科特·邦奇是这项新研究的资深作者。论文的主要作者包括：科迪·里特（前麻省理工学院博士后，现为科罗拉多大学博尔德分校助理教授）、米歇尔·奎恩（麻省理工学院研究生）和魏子堂（麻省理工学院研究科学家）。

不破裂的气泡

斯特拉诺的实验室早在2022年就首次报道了这种新型材料 —— 一种被称为二维聚芳酰胺的二维聚合物，它利用氢键自组装成分子片。为了制造这种前所未见的二维聚合物片，研究人员使用了一种名为三聚氰胺的构建模块，其含有一个碳氮原子环。在适当的条件下，这些单体可以二维方向扩展，形成纳米尺度的盘状结构。这些盘状结构彼此堆叠，通过层间的氢键结合在一起，使得该结构非常稳定和坚固。

研究人员将这种聚合物称为2DPA-1，它比钢更坚固，但密度仅为钢的六分之一。

在2022年的研究中，研究人员主要测试了材料的强度，但也对其气体渗透性进行了初步研究。在那项研究中，他们用这种薄膜制造了"气泡"并充入气体。对于大多数聚合物（如塑料）而言，困在内部的气体会通过材料渗出，导致气泡迅速瘪掉。

然而，研究人员发现，由2DPA-1制成的气泡并未塌陷 —— 事实上，他们在2021年制造的一些气泡至今仍然鼓胀。"我最初非常惊讶，"里特说。"这些气泡的行为不符合你对典型可渗透聚合物的预期。这需要我们重新思考如何恰当地研究和理解分子穿过这种新材料的传输过程。"

"我们进行了一系列严谨的实验，首先证明这种材料对氮气是分子级不可渗透的，"斯特拉诺说。"这可以说是项繁琐的工作。我们必须制造这种聚合物的微气泡，并充入像氮气这样的纯气体，然后等待。我们必须在极长的时间内反复检查它们是否塌陷，才能报告这一创纪录的不可渗透性数值。"

传统聚合物允许气体通过，是因为它们由类似意大利面的分子缠结而成，连接松散。这就在链与链之间留下了微小的空隙。气体分子可以渗入这些空隙，这就是为什么聚合物总是至少具有某种程度的气体渗透性。

然而，这种新型二维聚合物本质上是不可渗透的，原因在于盘状层的相互粘附方式。

"它们能够平整堆叠，这意味着二维盘片之间没有体积空隙，这很不寻常。对于其他聚合物，一维链之间仍然存在空间，因此大多数聚合物薄膜至少允许少量气体通过，"斯特拉诺解释道。

西北大学化学与化学及生物工程教授乔治·沙茨称这些研究结果"非同寻常"。

"通常聚合物对气体具有相当的渗透性，但本文报道的聚芳酰胺在具有工业相关性的条件下，对大多数气体的渗透性要低几个数量级，"未参与这项研究的沙茨说道。

一种保护性涂层

除了氮气，研究人员还将该聚合物暴露于氦气、氩气、氧气、甲烷和六氟化硫中。他们发现，2DPA-1对这些气体的渗透性至少是现有任何其他聚合物的万分之一。这使其几乎像石墨烯一样不可渗透 —— 石墨烯因其无缺陷的晶体结构而对气体完全不可渗透。

科学家们一直在努力开发石墨烯涂层作为屏障，以防止太阳能电池和其他设备的腐蚀。然而，扩大石墨烯薄膜的生产规模很困难，很大程度上是因为它们不能简单地涂覆在表面上。

"我们只能制造非常小片区的晶体石墨烯，"斯特拉诺说。"一小片石墨烯是分子级不可渗透的，但它无法规模化。人们尝试过将其涂覆上去，但石墨烯自身不粘附，在剪切作用下会滑动。相互滑过的石墨烯片被认为是几乎无摩擦的。"

另一方面，2DPA-1聚合物由于层间盘状结构的强氢键作用而易于粘附。在本文中，研究人员证明，仅需60纳米厚的涂层就能将钙钛矿晶体的寿命延长数周。钙钛矿是一种有前景的低成本、轻质太阳能电池材料，但它们的降解速度往往比目前广泛使用的硅太阳能电池板快得多。

研究人员表示，60纳米的涂层将钙钛矿的寿命延长至约三周，但更厚的涂层将提供更长时间的保护。这种薄膜还可以应用于各种其他结构。

"使用像这样的不可渗透涂层，你可以保护基础设施，如桥梁、建筑物、铁轨 —— 基本上任何暴露在外的设施。汽车、飞机和船舶也能受益。任何需要防止腐蚀的东西都可以。使用这种材料还可以延长食品和药品的保质期，"斯特拉诺说。

本文展示的另一个应用是纳米级谐振器 —— 本质上是一个以特定频率振动的微型鼓。尺寸约1毫米或更小的大型谐振器存在于手机中，使手机能够接收其用于收发信号的频带。

"在本文中，我们制造了第一个聚合物二维谐振器，这可以用我们的材料实现，因为它不可渗透且非常坚固，就像石墨烯一样，"斯特拉诺说。"目前，你手机和其他通信设备中的谐振器体积较大，但人们正努力利用纳米技术将其缩小。将其尺寸做到小于一微米将是革命性的。手机和其他设备可以更小，并减少信号处理所需的功耗。"

谐振器还可用作传感器来检测非常微小的分子，包括气体分子。

这项研究部分由美国能源部科学办公室资助的能源前沿研究中心 —— 增强纳米流体传输中心第二阶段，以及美国国家科学基金会资助。

这项研究部分使用了麻省理工学院MIT.nano的设施进行。

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