气体阻隔聚合物薄膜：为电子、基础设施与包装打造持久保护

麻省理工学院的研究人员开发了一种轻质聚合物薄膜，几乎不透气，这使得它有可能被用作保护涂层，以防止太阳能电池和其他基础设施的腐蚀，并减缓包装食品和药品的老化。

研究人员发现，这种聚合物可以作为厚度仅为纳米级的薄膜应用，完全排斥氮气和其他气体，至少在实验室设备的检测下是这样的。这种程度的不可渗透性在任何聚合物中都是前所未见的，并且与分子级薄的晶体材料如石墨烯的不可渗透性相媲美。

麻省理工学院化学工程的卡本·P·达布斯教授迈克尔·斯特拉诺表示：“我们的聚合物非常不寻常。它显然是通过溶液聚合反应制成的，但它的表现却像石墨烯，石墨烯是气体不可渗透的，因为它是完美的晶体。然而，当你检查这种材料时，绝不会将其与完美的晶体混淆。”

研究人员在 《自然》期刊 中描述的聚合物薄膜，采用一种可以大规模生产且比石墨烯更容易应用于表面的工艺。

斯特拉诺和波士顿大学的机械工程副教授斯科特·班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，现在是科罗拉多大学博尔德分校的助理教授；米歇尔·奎恩，麻省理工学院的研究生；还有韦子唐，麻省理工学院的研究科学家。

不会崩溃的气泡

斯特拉诺的实验室在2022年首次报告了这种新材料——一种二维聚合物，称为2D聚酰胺，它通过氢键自组装成分子薄片。为了制造这种前所未有的二维聚合物薄片，研究人员使用了一种叫做三聚氰胺的构建块，它包含一个由碳和氮原子组成的环。

在适当的条件下，这些单体可以在两个维度中扩展，形成纳米级的圆盘。这些圆盘相互叠加，通过层间的氢键将其连接在一起，使得结构非常稳定且坚固。

这种聚合物，研究人员称之为2DPA-1，比钢铁更强，但密度仅为钢铁的六分之一。

在他们2022年的研究中，研究人员专注于测试材料的强度，但他们也做了一些关于气体渗透性的初步研究。为了这些研究，他们用薄膜制作了“气泡”，并将其充满气体。对于大多数聚合物，如塑料，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制成的气泡并没有塌陷——事实上，他们在2021年制作的气泡仍然充气。“我最初感到相当惊讶，”Ritt说。“气泡的行为并没有遵循你对典型可渗透聚合物的预期。这要求我们重新思考如何正确研究和理解这种新材料的分子传输。”

“我们设置了一系列精心的实验，首先证明该材料对氮气是分子级不可渗透的，”Strano说。

“这可以说是很繁琐的工作。我们必须制作聚合物的微气泡，并用氮气等纯气体填充它们，然后等待。我们必须在很长的时间里反复检查它们是否崩溃，以便报告这个记录的不可渗透值。”

传统聚合物允许气体通过，因为它们由一团像意大利面条一样的分子组成，这些分子松散地连接在一起。这在分子之间留下了微小的缝隙。气体分子可以通过这些缝隙渗透，这就是聚合物总是至少具有一定气体渗透性的原因。

然而，新的二维聚合物由于这些层状盘片紧密粘合在一起，基本上是不可渗透的。

斯特拉诺说：“它们能够平坦堆叠，这意味着两个二维盘之间没有空间，这很不寻常。其他聚合物中，一维链之间仍然有空间，因此大多数聚合物薄膜至少允许少量气体通过。”

保护涂层

除了氮气，研究人员还将聚合物暴露于氦气、氩气、氧气、甲烷和六氟化硫中。他们发现2DPA-1对这些气体的渗透率至少是任何其他现有聚合物的1/10,000。这使得它几乎和石墨烯一样不可渗透，而石墨烯因其无缺陷的晶体结构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很困难，主要是因为它们不能简单地涂抹在表面上。

斯特拉诺说：“我们只能在非常小的区域内制造晶体石墨烯。小块石墨烯在分子上是不可渗透的，但它不能扩展。人们曾试图把它涂上去，但石墨烯不会粘在一起，而是在剪切时会滑动。相互移动的石墨烯片被认为几乎是无摩擦的。”

另一方面，2DPA-1聚合物由于层状盘之间的强氢键相互作用而容易粘附。在这篇论文中，研究人员展示了仅60纳米厚的层可以将钙钛矿晶体的寿命延长数周。钙钛矿是一种有前景的材料，作为廉价且轻便的太阳能电池，但它们的降解速度往往比现在广泛使用的硅太阳能电池快得多。

研究人员表示，60纳米的涂层能将钙钛矿的寿命延长到大约三周，而更厚的涂层则能提供更长时间的保护。这些薄膜也可以应用于各种其他结构。

Strano说：“用这种不透水的涂层，您可以保护基础设施，比如桥梁、建筑、铁路——基本上任何暴露在外的物品。汽车、飞机和海洋船只也可以受益。任何需要防止腐蚀的物品。食品和药物的保质期也可以使用这样的材料延长。”

这篇论文中展示的另一个应用是纳米级谐振器——本质上是一个在特定频率下振动的小鼓。较大的谐振器，尺寸约为1毫米或更小，通常出现在手机中，帮助手机接收和发送信号所需的频率。

Strano说：“在这篇论文中，我们制造了第一个聚合物2D谐振器，您可以用我们的材料做到这一点，因为它不透水且相当坚固，像石墨烯一样。”

Strano说：“现在，您手机和其他通信设备中的谐振器很大，但正在努力通过纳米技术将其缩小。把它们的尺寸缩小到小于一个微米将是革命性的。手机和其他设备可以更小，并减少信号处理所需的功耗。”

谐振器也可以用作传感器，以检测极其微小的分子，包括气体分子。

更多信息： 迈克尔·斯特拉诺，由二维聚酰胺制成的分子不透过聚合物， 《自然》 (2025)。 DOI: 10.1038/s41586-025-09674-9. www.nature.com/articles/s41586-025-09674-9