小时候我们都吹过气球，明明前一天还鼓鼓的，第二天醒来却让人十分泄气地泄了气，软趴趴地瘪了很多。这种日常小事其实揭示了聚合物材料所面临的一个基本难题：空气中各种气体分子太小，它们不需要破洞，只要材料内部存在一点点空隙，就能轻松钻进钻出。绝大多数塑料薄膜及食品包装看似完整，内部却存在着由无数微小路径构成的“分子迷宫”。理论上，聚合物中的结晶区致密有序、几乎不让气体通过；但非晶区松散无序，充满了让气体自由扩散的空隙。只要存在这些非晶区，传统聚合物就永远无法做到真正意义上的“完全气密”。
二维聚合物气体阻隔性能。图片来源：Nature [1]
那么，怎么才能让聚合物材料“不泄气”呢？还是以气球为例，小时候的经验告诉我们，质量好一点、厚实一点的气球效果要好不少，能多撑好几天。但如果有人告诉你，薄到极致的聚合物膜气密性反而绝佳——二维（2D）聚合物超薄膜几乎完全不透气，这是不是有点反直觉？
近日，麻省理工学院Michael S. Strano课题组与波士顿大学J. Scott Bunch课题组合作在Nature 杂志上发表论文，开发了一种自支撑、旋涂的2D聚芳酰胺纳米膜，对氮气的透过性低于3.1 × 10-9 Barrer，比现有的各类聚合物低近4个数量级，可与石墨烯等分子级晶体材料相媲美。对其他气体（氦气、氩气、氧气、甲烷和六氟化硫），这种纳米膜的气密性测试结果也相差不多。值得一提的是，在纳米膜覆盖微孔测试里，被纳米膜密闭的气体可稳定保持三年不泄露，甚至有些从2021年至今仍保持充盈状态（下图）[2]。由于具备前所未有的不渗透性，这类聚合物薄膜有望作为保护层，显著提升太阳能电池、微电子器件及食品药品包装的耐久性，减少腐蚀与老化。以气敏钙钛矿为例，60 nm的2D聚芳酰胺纳米膜涂层氧气透过性仅为3.3 × 10−8 Barrer，可使钙钛矿的晶格降解率降低至此前的1/14。
二维聚合物薄膜覆盖微孔测试。图片来源：麻省理工学院 [2]
研究者采用的2D聚芳酰胺名为2DPA-1。早在2022年，他们就在Nature 杂志上发表论文，通过均苯三甲酰氯与三聚氰胺的缩合反应，借助氢键自组装得到纳米级的分子片层（Nature：不可逆合成超强二维聚合物）[3]。片层间通过氢键连接，层层堆叠，使其拥有极高的稳定性与机械强度，它的强度超过钢，但密度却只有钢的六分之一，可塑性也远优于传统高性能聚合物。
二维聚合物2DPA-1材料的合成与表征。图片来源：Nature [3]
传统聚合物之所以允许气体通过，是因为它们由柔软、杂乱的长链分子交织而成，链间天然存在微小空隙，气体分子便能轻松渗入。然而，研究者发现，2021年制造的2DPA-1薄膜，包裹其中的气泡完全不会泄漏，仍然保持充盈状态。“这些气泡的行为完全不同于典型聚合物，这促使我们重新思考分子在新型材料中的传输机制。”本文第一作者Cody Ritt表示 [2]。
为研究其分子渗透性，研究者将表面粗糙度低于1 nm的2DPA-1薄膜转移到二氧化硅基底的微孔阵列上。这些微孔深约1 µm，而薄膜最薄仅4 nm，却依旧拥有足够的机械强度，可完好覆盖孔洞而不破裂。室温下，由于转移过程微孔中困入空气，薄膜会鼓起50~500 nm的凸包；若转移后立刻退火，则形成向下凹陷的结构；若加压至150 kPa，薄膜挠曲先升高再下降，约3小时后达到平衡。恢复至1 atm后，则恢复至凸起状态。
2DPA-1薄膜覆盖在微孔上。图片来源：Nature
研究者对59个充入150 kPa压强氮气的鼓包进行了长达110天的监测，未观察到鼓包变扁，说明没有发生可检测的气体泄漏。2DPA-1的氮气透过性低于3.1 × 10-9 Bar，比已知液晶聚合物低近四个数量级，接近完美石墨烯。研究者利用AFM探针刺破鼓包后观察到其瞬间坍塌，进一步确认了氮气在此期间始终被密封。BET测量也表明2DPA-1纳米片比表面积极低，与其优异的不渗透性相一致。
2DPA-1的氮气充气过程。图片来源：Nature
要做到“近乎绝对气密”，2DPA-1必须以错位堆叠的方式组装，减少有效孔径、增强层间相互作用并消除自由体积。DFT计算表明，错位堆叠比完全重叠的堆叠方式更稳定。氮气穿过单个双层孔道的能垒约为65.6 kJ/mol，而沿约35 nm（约100层）薄膜的连续跨越总能垒增至77.0 kJ/mol。这一级别的能量屏障处于“超厚晶态聚合物”与“完美石墨烯单层”之间，足以阻止绝大多数气体分子的跨膜运动。
双层二维聚合物理论模拟。图片来源：Nature
二维聚合物薄膜的气密性并不只针对氮气，将六氟化硫、氩气和甲烷分别充入微孔后，同样观察到鼓包持续数日不泄漏的现象，说明这种薄膜对多种气体的渗透率都极低。在1000天的持续观察后仍保持封存状态，与石墨烯薄膜的性能几乎一致。长期稳定性意味着2DPA-1不会像传统聚合物那样因吸水或老化而变得透气。不过，对于氧气、氦气等更小的分子，该二维薄膜的阻隔性能不佳，无法使鼓包长期保持膨胀。
不同气体充入后，挠曲随时间的波动。图片来源：Nature
2DPA-1薄膜在微纳机械领域也展现出潜力，35 nm厚的薄膜在真空下能产生MHz级的机械共振，并在内部气体逐渐被抽空后，品质因数（Q值）从87激增到537，表现出媲美石墨烯的超高灵敏度和低能量损耗。这意味着它有望作为纳米级力和质量传感器，推动分子阀门、微机械器件等先进技术的发展。此外，如果将60 nm厚的封装层涂覆在气敏钙钛矿薄膜上，后者的稳定性可以从3天提升到21天，超过传统的封装材料。
2DPA-1的实际应用。图片来源：Nature
“我们的聚合物不同寻常，它通过溶液聚合反应制备，但性质却像石墨烯一样不透气，而通常聚合物对气体都具有一定的渗透性”，Michael Strano教授表示，“使用这种不透气涂层，可以保护桥梁、建筑物、铁路等基础设施，汽车、飞机和船舶也能从中受益，任何需要防腐蚀的东西都可以使用这种涂层。此外，我们首次制备了聚合物二维谐振器，它像石墨烯一样不透水且强度很高”。[2]
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
A molecularly impermeable polymer from two-dimensional polyaramids
Cody L. Ritt, Michelle Quien, Zitang Wei, Hagen Gress, Mohan T. Dronadula, Kaan Altmisdort, Huong Giang T. Nguyen, Christopher D. Zangmeister, Yu-Ming Tu, Sanjay S. Garimella, Shahab Amirabadi, Michael Gadaloff, Weiguo Hu, Narayana R. Aluru, Kamil L. Ekinci, J. Scott Bunch & Michael S. Strano
Nature 2025, 647, 383-389, DOI: 10.1038/s41586-025-09674-9
参考文献：
[1] X. Shi & D. Zhao, Ultrathin films of a 2D polymer provide airtight seal. Nature 2025, 647, 324-326. DOI: 10.1038/d41586-025-03583-7
[2] New lightweight polymer film can prevent corrosion
https://news.mit.edu/2025/new-lightweight-polymer-film-can-prevent-corrosion-1112
[3] Y. Zeng, et al. Irreversible synthesis of an ultrastrong two-dimensional polymeric material. Nature 2022, 602, 91-95. DOI: 10.1038/s41586-021-04296-3
导师介绍
Michael S. Strano
https://www.x-mol.com/university/faculty/47860
J. Scott Bunch
https://www.x-mol.com/university/faculty/73158
（本文由小希供稿）
