MIT學者造出分子鋼板！超薄鎧甲讓太陽能電池材料壽命延長10倍

未來的手機屏幕有無可能再也不會摔碎？食品包裝能否永遠保持新鮮？甚至太空服也可以完全隔絕外界有害氣體？這一切都要歸功于美國麻省理工學院魏子棠博士及合作者打造的一種神奇的新材料——二維聚芳酰胺，它的代號叫做 2DPA-1，相關論文發表于 Nature。

他告訴 DeepTech：“一個關鍵的優勢是，實現這種卓越的氣體不透過性，僅需 35 納米厚度的薄膜。這大約相當于 100 層材料堆疊在一起，就能讓氣體無法穿透。這無疑是一種非常高效且簡單的制備工藝。”

“這種二維聚合物材料是我們實驗室獨創的。據我們所知，已有其他科研團隊開始使用我們報道的這種材料進行不同領域的應用探索。例如，前不久復旦大學和上海交通大學的研究團隊就利用我們的材料，成功增強了鋰電池電極的性能，并將其作為保護層，相關論文也已發表在 Nature Materials 上。”他繼續說道。

圖 | 魏子棠（來源：魏子棠）

既能拯救怕水的太陽能電池，也能深刻走入人類生活

2DPA-1 最能派上用場的地方在于保護三維鉛基鈣鈦礦材料。在新能源領域，鈣鈦礦這種材料是制造太陽能電池的“明日之星”。它成本低、發現效率高，但卻存在非常害怕空氣中的氧氣和水蒸氣這樣的致命缺點。

只要在空氣中暴露幾天，鈣鈦礦就會發生降解，從閃閃發光的黑色變成黃色的廢料，以至于失去了材料的半導體性質。為了解決這一問題，傳統方法是給鈣鈦礦涂上超過 100 微米的厚厚的膠水或塑料層，但是這不僅增加制備成本而且影響性能。

而魏子棠發現 2DPA-1 可以很好地解決這一問題。他在鈣鈦礦表面使用旋涂的方法，在上面刷了一層只有 60 納米厚的 2DPA-1 保護膜，這層薄膜幾乎肉眼看不到，完全不會影響鈣鈦礦的工作。

對比實驗結果發現：沒有保護的鈣鈦礦在空氣中放置 3 天之后就幾乎完全崩潰，失去了材料的八面體堆積結構。而得到 2DPA-1 保護的鈣鈦礦，在空氣中放置 21 天之后，依然保持著良好狀態，在前 7 天甚至幾乎看不出任何變化。

2DPA-1 這些薄如蟬翼的隱形鎧甲，成功地阻擋了氧氣和水汽的入侵，將鈣鈦礦的壽命延長了 10 倍。通過這個實驗，魏子棠還推算出了 2DPA-1 對于氧氣的超低滲透性的特點，再次證明了它超強的屏障能力。

魏子棠表示：“材料薄膜的顏色變化可以直接與其氣體阻隔性能相關聯。這意味著，我們無需使用其他包括原子力顯微鏡或透射電子顯微鏡等復雜且費時費力的測試手段來監測材料氣體阻隔性能，只需在普通光學顯微鏡下，就能通過薄膜顏色的實時變化，直觀地監測氣體滲透過程以及薄膜尺寸和維度的動態改變。

這是一個顯著的突破，它極大地節約了時間，并大幅降低了研究這種材料的門檻，實現了所謂的實時動態測量。”

這樣一種薄到極致、堅固到極致、密封到極致的材料，意味著 2DPA-1 有望讓手機和智能手表真正做到防水、防塵和防腐蝕，哪怕掉進海里也能撈出來擦干照用。

它也有望讓充氣城堡、輪胎和氣球再也不需要反復充氣，只需充氣一次就能使用一輩子。它還有望制造更輕便、更安全的太空服和航天器材料，保護宇航員免受太空極端環境的傷害。它更有望將食品和藥品的包裝做得更薄更環保，但是保鮮效果卻能提高無數倍，從而可以大大減少食物浪費。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09674-9）

從分子漁網到分子鋼板，什么是二維聚合物？

要理解 2DPA-1 有多厲害，先來舉個例子：假如你有一些微小的、形狀奇特的積木。這些積木是三角形的，帶著三個小鉤子其實就是三聚氰胺，還有些積木也是三角形的但是帶著三個小環其實就是三甲酰氯。

當你把它們混合在一起時，鉤子會自動扣上環，“咔噠”一聲它們就緊緊地連接在了一起。成千上萬個這樣的鉤子和環在溶液中相遇，它們會自發地、手拉手地鋪開，形成一張巨大的、只有 0.3-0.4 納米那么厚的“分子漁網”。

這就是所謂的二維聚合物，它不像普通的塑料那樣，分子鏈以亂糟糟的方式纏在一起，而是就像整齊堆疊的餐盤一樣，分子排列得整整齊齊，就像一個無限延伸的完美平面網絡一樣。

而 2DPA-1 就是這樣一張無比堅固的“分子漁網”。它上面的網眼非常小，大約只有 1 納米差不多是頭發絲直徑的十萬分之一。但是，光網眼小還不夠，真正讓它變得神奇的是下面這招。

一張漁網當然會漏東西，但如果把多張漁網疊在一起，并且每一張網兜稍微錯開一點位置，讓上一張網的網線正好擋住下一張網的網眼呢？那么，即使是再小的氣體分子，也不可能從漁網穿過。2DPA-1 的分子層就是這樣通過層間氫鍵作用緊密堆疊起來的分子鋼板，層與層之間緊密得連一絲縫隙都沒有。

對于科研來說，要想確定一種材料是否真的擁有密封性，就必須拿出真憑實據。那么，怎么才能證明連肉眼都看不見的分子也無法穿過這種材料呢？為此，魏子棠在一塊光滑的二氧化硅基底上，使用雕刻技術刻蝕出了無數個微米級別的小“井”，每個井只有百分之一毫米寬，比頭發絲還要細很多。

然后，他使用旋涂和薄膜轉移的方法將溶解在特殊液體里的 2DPA-1 薄膜，均勻地鋪在這些小井上，就像給其蓋上了一層薄薄的、透明的保鮮膜。結果發現：有些井在蓋蓋子的時候，不小心困住了一些空氣。于是，內部的空氣壓力把這層薄膜向上頂，形成了一個鼓起來的微型氣球也就是凸起。

而有些井在蓋蓋子之后被稍微加熱了一下，里面的空氣由于冷卻后收縮，導致壓力降低，于是薄膜就被外部的大氣壓向下壓，形成了凹下去的小酒窩也就是凹坑。

而如果這層薄膜像普通塑料一樣有可以使空氣通過的縫隙，那么氣球里的空氣就會慢慢漏光這時氣球就會癟掉；如果酒窩外部的空氣慢慢滲進去，酒窩就會被填平。

于是，魏子棠使用超高精度的原子力顯微鏡持續觀察這些氣球和酒窩。結果發現：一些充入了氮氣的氣球，歷經整整 110 天之后，一點都沒有癟下去的跡象。還有一批最初因為被困住的空氣而鼓起的氣球，甚至保持了 1,000 多天的超過 3 年的膨脹狀態。

這就好比你吹了一個氣球，放了三年還是和原來一樣鼓。而對于氬氣、甲烷、六氟化硫等其他氣體，結果仍然一樣。這個實驗證明：對于 2DPA-1 薄膜本身來說，它在許多常見氣體上都能做到接近零滲透。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09674-9）

振動頻率高達每秒 800 萬次，堪比“高頻度跳舞”

即便是這么薄的薄膜，由于其堅固性也能實現“高頻跳舞”。魏子棠把這些覆蓋著小氣球的芯片放進真空環境，然后使用一束非常精密的激光照射薄膜的中心，結果發現這些薄膜居然在以極高的頻率振動，就像一面被不停敲擊的小鼓一樣。

它的振動頻率高達每秒 800 萬次（8MHz），這個頻率遠遠超過了人耳能夠聽到的范圍即屬于超聲波。更厲害的是，它的振動非常純粹和持久，幾乎沒有什么雜音和能量損耗。魏子棠使用一個名為品質因數的指標來衡量，借此發現它的數值高達 537，這意味著它是一個非常高效的納米共振器。

那么，這有什么用？想象一下，一個極其微小的灰塵顆粒落在這面小鼓上，它的振動頻率就會發生細微的改變。通過監測這種改變，就能知道落下了多少以及多重的顆粒。

因此，這種會“跳舞”的薄膜未來可被做成超級靈敏的傳感器，用來探測空氣中極其微量的病毒和污染物，也可被用于研發量子計算機成為感知微弱力量的神探。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09674-9）

魏子棠表示：“我們的理念是，在獲得一種新材料或一個新發現之后，不應立即盲目地進行報道或撰寫論文。盡管這篇文章在 2025 年 11 月才正式發表，但實際上這個項目最早可以追溯到 2020 至 2021 年材料剛剛合成出來的時候，那時我們就已經觀察到了類似的性質。

但從最初發現這一特性，到最終將其研究得非常透徹、數據非常扎實、展示非常直觀，我們投入了漫長的時間。在這個過程中，我們持續進行了大量基礎工作，例如對材料化學結構的系統表征，以及對材料尺寸、形貌等的細致分析。”

他說，這個過程雖然漫長，從 2020 年合成出材料，到 2025 年才發表第一篇相關的應用論文。但一旦徹底理解了其內在機理，打通了關鍵的路徑，后續的很多工作就變得水到渠成。

剩下的，只是取決于選擇將其應用于哪個具體方向而已。“這也是我來到麻省理工學院之后一個很重要的收獲，也是在與頂尖科學家合作中學到的寶貴理念：對基礎科學的極度重視。”其表示。

總的來說，本次研究的創新之處在于，魏子棠及合作者首次將這套原本用于石墨烯這類無機材料的、非常成熟的表征方法，成功移植并應用于有機材料，特別是有機二維聚合物的氣體阻隔性能研究上。

他表示：“鑒于鈣鈦礦材料是當前的研究熱點，我相信許多同行會對我們的發現感興趣。事實上，我們已經收到來自麻省理工學院及其他地方研究人員的詢問，希望使用我們的二維聚合物來提升他們材料或器件的穩定性。

這個能直接解決領域內核心難題的發現，當時讓我感到無比興奮。此外，我們已經收到了一些來自印度、西班牙等國家的公司的聯系。他們甚至提出愿意提供資金或資源支持，希望我們將這種材料應用到他們各自所需的特定體系或產品中去。”

參考資料：

相關論文 https://www.nature.com/articles/s41586-025-09674-9

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