輕如羽毛、強(qiáng)于鋼鐵，MIT打造超級(jí)防護(hù)涂層，延緩腐蝕和變質(zhì)

人類與腐蝕的斗爭(zhēng)，從未停止。從海風(fēng)侵蝕的橋梁、失效的太陽能電池，到逐漸變質(zhì)的藥品與食品，幾乎所有的基礎(chǔ)設(shè)施與消費(fèi)品，都在與空氣中無處不在的氣體分子進(jìn)行一場(chǎng)緩慢的賽跑。

近日，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員宣布開發(fā)出一種超薄、超輕，卻幾乎完全不讓氣體穿透的全新聚合物薄膜。這意味著它未來可能被用于防止太陽能電池和其他基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕，也可能用于延緩食品與藥物的變質(zhì)。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這種薄膜可以制成僅數(shù)納米厚，并能完全阻隔氮?dú)夂推渌麣怏w（至少在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的檢測(cè)極限內(nèi)如此）。這種級(jí)別的氣體阻隔能力在聚合物材料中從未出現(xiàn)過，甚至可與石墨烯等分子級(jí)薄層晶體材料的氣密性相媲美。

相關(guān)文章以題為“A molecularly impermeable polymer from two-dimensional polyaramids”發(fā)表在 Nature 期刊。論文作者包括共同通訊作者 Michael Strano 和波士頓大學(xué)機(jī)械工程副教授 Scott Bunch，第一作者為 MIT 前博士后、現(xiàn)任科羅拉多大學(xué)博爾德分校助理教授 Cody Ritt、MIT 研究生 Michelle Quien 和 MIT 研究科學(xué)家 Zitang Wei。

研究人員在論文中指出，這種聚合物薄膜能夠通過可擴(kuò)展的工藝批量生產(chǎn)，并且比石墨烯更容易涂覆到各種表面上

永不泄氣的“氣泡”

2022 年，Strano 團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道這種新材料：一種能夠通過氫鍵自組裝成分子薄片的二維聚合物（2D polyaramid）。

在制造過程中，研究人員使用了三聚氰胺，其含有一個(gè)碳氮原子構(gòu)成的環(huán)。在適當(dāng)條件下，這些單體可以在二維方向上擴(kuò)展，形成納米級(jí)的圓盤狀結(jié)構(gòu)。這些圓盤沿著垂直方向堆疊，通過層間氫鍵結(jié)合，使得該結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定而堅(jiān)固。并將其命名為 2DPA-1，其強(qiáng)度超過鋼鐵但密度只有鋼的六分之一。

在 2022 年的研究中，他們主要測(cè)試了材料的強(qiáng)度，同時(shí)也做了一些氣體滲透性的初步研究。他們將薄膜制成“氣泡”并充入氣體。通常來說，用傳統(tǒng)聚合物（如塑料）制成的氣泡會(huì)因氣體不斷跨越材料滲透而迅速泄氣。

然而，他們發(fā)現(xiàn)由 2DPA-1 制成的氣泡根本不會(huì)癟下去。事實(shí)上，當(dāng)年制作的氣泡至今仍保持鼓起狀態(tài)。

這幾乎顛覆了對(duì)聚合物滲透性的基本理解。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的實(shí)驗(yàn)：制作微米級(jí)氣泡、注入高純氮?dú)狻⒍ㄆ谟^測(cè)氣泡是否有體積變化。

結(jié)果顯示：氮?dú)馔耆珱]有穿過薄膜。更令人震驚的是，當(dāng)他們測(cè)試氦氣、氧氣、六氟化硫等多種分子后，結(jié)果是相同的，滲透率至少比現(xiàn)有最好的屏障聚合物低一萬倍

一位未參與研究的知名化學(xué)家、諾斯韋斯特大學(xué)教授 George Schatz 用了一個(gè)詞評(píng)價(jià)這個(gè)結(jié)果：“Remarkable（驚異）。”

理想的防護(hù)涂層

石墨烯一直有一個(gè)致命缺陷：難以放大。工業(yè)界嘗試過噴涂、熱轉(zhuǎn)移、卷對(duì)卷工藝，但石墨烯片之間的超低摩擦讓它們難以形成穩(wěn)定連續(xù)膜。

2DPA-1 的優(yōu)勢(shì)剛好在于它的“分子粘性”：層間氫鍵強(qiáng)、片層之間不滑動(dòng)、易于通過溶液法形成大面積薄膜。這使其成為現(xiàn)實(shí)世界中真正有可能投入工程應(yīng)用的分子屏障材料。

在本次研究中，一層 60 納米厚的涂層，就足以讓原本極易降解的鈣鈦礦太陽能材料延壽數(shù)周。鈣鈦礦是一類廉價(jià)輕量太陽能材料，但它們比硅基太陽能板更易降解。如果加厚，壽命延長(zhǎng)的幅度會(huì)更顯著。這為太陽能電池封裝提供了一個(gè)全新的材料選項(xiàng)：輕量、可涂覆、不透氣。

在應(yīng)用方面，范圍極廣，覆蓋幾乎所有需要防護(hù)的行業(yè)：太陽能電池與光伏封裝。鈣鈦礦電池非常便宜，但壽命極短，2DPA-1 可能是讓其走向商業(yè)化的關(guān)鍵因素；工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施防腐。橋梁、鐵路、海洋工程、航空航天零部件，這些設(shè)施常年面臨氧化、濕氣和有害氣體侵蝕，超薄氣密涂層可以顯著延緩?fù)嘶?strong>食品與藥品封裝。傳統(tǒng)包裝材料都無法完全阻擋氧氣，食品氧化與藥物失效難以避免。一種真正意義上的“零滲透”材料將重新定義保質(zhì)期限。

論文展示的另一個(gè)亮點(diǎn)，是團(tuán)隊(duì)制作了世界上第一個(gè)基于二維聚合物的納米共振器。共振器是手機(jī)等通信設(shè)備的核心元件，用來選擇信號(hào)頻率。今天的微機(jī)械共振器尺寸仍在毫米級(jí)，縮小到納米尺度將帶來：更低功耗、更小體積，以及更高靈敏度。

通常制造這種共振器需要石墨烯這樣的二維材料，但 2DPA-1 的出現(xiàn)提供了一個(gè)更可制造的替代路徑。它不僅堅(jiān)固，而且因?yàn)橥耆煌笟猓梢苑€(wěn)定維持納米鼓膜結(jié)構(gòu)。

總而言之，這項(xiàng)研究跨越了材料科學(xué)的多個(gè)傳統(tǒng)邊界：溶液聚合材料，卻具有晶體般的絕對(duì)氣密性；聚合物的可制造性+石墨烯的分子屏障性能；強(qiáng)度超過鋼，卻只有其六分之一密度；可用于能源、基礎(chǔ)設(shè)施、通信、生物醫(yī)藥等跨領(lǐng)域應(yīng)用。

如果未來得以規(guī)模化，2DPA-1 可能成為一種“基礎(chǔ)設(shè)施級(jí)”的材料革命，改變我們與環(huán)境、腐蝕、壽命管理的關(guān)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