MIT打造超级防护涂层 延缓腐蚀和变质

来源：滚动播报

（来源：中国航空报）

　　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。

　　相关文章以标题“A molecularly impermeable polymer from twodimensional polyaramids”发表在《自然》杂志。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、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，该研究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”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：卓越。

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“分子黏性”：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，这些设施常年面临氧化、湿气和有害气体侵蚀，超薄气密涂层可以显著延缓退化；在食品与药品封装领域，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。

　　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。 （麻省）