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轻如羽毛、强于钢铁,MIT打造超级防护涂层,延缓腐蚀和变质

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人类与腐蚀的斗争,从未停止。从海风侵蚀的桥梁、失效的太阳能电池,到逐渐变质的药品与食品,几乎所有的基础设施与消费品,都在与空气中无处不在的气体分子进行一场缓慢的赛跑。

近日,麻省理工学院(MIT)的研究人员宣布开发出一种超薄、超轻,却几乎完全不让气体穿透的全新聚合物薄膜。这意味着它未来可能被用于防止太阳能电池和其他基础设施的腐蚀,也可能用于延缓食品与药物的变质。

研究团队发现,这种薄膜可以制成仅数纳米厚,并能完全阻隔氮气和其他气体(至少在现有实验设备的检测极限内如此)。这种级别的气体阻隔能力在聚合物材料中从未出现过,甚至可与石墨烯等分子级薄层晶体材料的气密性相媲美。

相关文章以题为“A molecularly impermeable polymer from two-dimensional polyaramids”发表在 Nature 期刊。论文作者包括共同通讯作者 Michael Strano 和波士顿大学机械工程副教授 Scott Bunch,第一作者为 MIT 前博士后、现任科罗拉多大学博尔德分校助理教授 Cody Ritt、MIT 研究生 Michelle Quien 和 MIT 研究科学家 Zitang Wei。

研究人员在论文中指出,这种聚合物薄膜能够通过可扩展的工艺批量生产,并且比石墨烯更容易涂覆到各种表面上

永不泄气的“气泡”

2022 年,Strano 团队首次报道这种新材料:一种能够通过氢键自组装成分子薄片的二维聚合物(2D polyaramid)。

在制造过程中,研究人员使用了三聚氰胺,其含有一个碳氮原子构成的环。在适当条件下,这些单体可以在二维方向上扩展,形成纳米级的圆盘状结构。这些圆盘沿着垂直方向堆叠,通过层间氢键结合,使得该结构非常稳定而坚固。并将其命名为 2DPA-1,其强度超过钢铁但密度只有钢的六分之一。

在 2022 年的研究中,他们主要测试了材料的强度,同时也做了一些气体渗透性的初步研究。他们将薄膜制成“气泡”并充入气体。通常来说,用传统聚合物(如塑料)制成的气泡会因气体不断跨越材料渗透而迅速泄气。

然而,他们发现由 2DPA-1 制成的气泡根本不会瘪下去。事实上,当年制作的气泡至今仍保持鼓起状态。

这几乎颠覆了对聚合物渗透性的基本理解。为了验证这一点,团队进行了长达数年的实验:制作微米级气泡、注入高纯氮气、定期观测气泡是否有体积变化。

结果显示:氮气完全没有穿过薄膜。更令人震惊的是,当他们测试氦气、氧气、六氟化硫等多种分子后,结果是相同的,渗透率至少比现有最好的屏障聚合物低一万倍

一位未参与研究的知名化学家、诺斯韦斯特大学教授 George Schatz 用了一个词评价这个结果:“Remarkable(惊异)。”

理想的防护涂层

石墨烯一直有一个致命缺陷:难以放大。工业界尝试过喷涂、热转移、卷对卷工艺,但石墨烯片之间的超低摩擦让它们难以形成稳定连续膜。

2DPA-1 的优势刚好在于它的“分子粘性”:层间氢键强、片层之间不滑动、易于通过溶液法形成大面积薄膜。这使其成为现实世界中真正有可能投入工程应用的分子屏障材料。

在本次研究中,一层 60 纳米厚的涂层,就足以让原本极易降解的钙钛矿太阳能材料延寿数周。钙钛矿是一类廉价轻量太阳能材料,但它们比硅基太阳能板更易降解。如果加厚,寿命延长的幅度会更显著。这为太阳能电池封装提供了一个全新的材料选项:轻量、可涂覆、不透气。

在应用方面,范围极广,覆盖几乎所有需要防护的行业:太阳能电池与光伏封装。钙钛矿电池非常便宜,但寿命极短,2DPA-1 可能是让其走向商业化的关键因素;工业基础设施防腐。桥梁、铁路、海洋工程、航空航天零部件,这些设施常年面臨氧化、湿气和有害气体侵蚀,超薄气密涂层可以显著延缓退化;食品与药品封装。传统包装材料都无法完全阻挡氧气,食品氧化与药物失效难以避免。一种真正意义上的“零渗透”材料将重新定义保质期限。

论文展示的另一个亮点,是团队制作了世界上第一个基于二维聚合物的纳米共振器。共振器是手机等通信设备的核心元件,用来选择信号频率。今天的微机械共振器尺寸仍在毫米级,缩小到纳米尺度将带来:更低功耗、更小体积,以及更高灵敏度。

通常制造这种共振器需要石墨烯这样的二维材料,但 2DPA-1 的出现提供了一个更可制造的替代路径。它不仅坚固,而且因为完全不透气,可以稳定维持纳米鼓膜结构。

总而言之,这项研究跨越了材料科学的多个传统边界:溶液聚合材料,却具有晶体般的绝对气密性;聚合物的可制造性+石墨烯的分子屏障性能;强度超过钢,却只有其六分之一密度;可用于能源、基础设施、通信、生物医药等跨领域应用。

如果未来得以规模化,2DPA-1 可能成为一种“基础设施级”的材料革命,改变我们与环境、腐蚀、寿命管理的关系。

1.Ritt, C.L., Quien, M., Wei, Z. et al. A molecularly impermeable polymer from two-dimensional polyaramids. Nature 647, 383–389 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09674-9

2.https://news.mit.edu/2025/new-lightweight-polymer-film-can-prevent-corrosion-1112

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