人類與腐蝕的斗爭，從未停止。從海風侵蝕的橋梁、失效的太陽能電池，到逐漸變質的藥品與食品，幾乎所有的基礎設施與消費品，都在與空氣中無處不在的氣體分子進行一場緩慢的賽跑。

近日，麻省理工學院（MIT）的研究人員宣布開發出一種超薄、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設施的腐蝕，也可能用于延緩食品與藥物的變質。

研究團隊發現，這種薄膜可以制成僅數納米厚，并能完全阻隔氮氣和其他氣體（至少在現有實驗設備的檢測極限內如此）。這種級別的氣體阻隔能力在聚合物材料中從未出現過，甚至可與石墨烯等分子級薄層晶體材料的氣密性相媲美。

相關文章以題為“A molecularly impermeable polymer from two-dimensional polyaramids”發表在 Nature 期刊。論文作者包括共同通訊作者 Michael Strano 和波士頓大學機械工程副教授 Scott Bunch，第一作者為 MIT 前博士后、現任科羅拉多大學博爾德分校助理教授 Cody Ritt、MIT 研究生 Michelle Quien 和 MIT 研究科學家 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展的工藝批量生產，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 團隊首次報道這種新材料：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，其含有一個碳氮原子構成的環。在適當條件下，這些單體可以在二維方向上擴展，形成納米級的圓盤狀結構。這些圓盤沿著垂直方向堆疊，通過層間氫鍵結合，使得該結構非常穩定而堅固。并將其命名為 2DPA-1，其強度超過鋼鐵但密度只有鋼的六分之一。

在 2022 年的研究中，他們主要測試了材料的強度，同時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，用傳統聚合物（如塑料）制成的氣泡會因氣體不斷跨越材料滲透而迅速泄氣。

然而，他們發現由 2DPA-1 制成的氣泡根本不會癟下去。事實上，當年制作的氣泡至今仍保持鼓起狀態。

這幾乎顛覆了對聚合物滲透性的基本理解。為了驗證這一點，團隊進行了長達數年的實驗：制作微米級氣泡、注入高純氮氣、定期觀測氣泡是否有體積變化。

結果顯示：氮氣完全沒有穿過薄膜。更令人震驚的是，當他們測試氦氣、氧氣、六氟化硫等多種分子后，結果是相同的，滲透率至少比現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家、諾斯韋斯特大學教授 George Schatz 用了一個詞評價這個結果：“Remarkable（驚異）。”

理想的防護涂層

石墨烯一直有一個致命缺陷：難以放大。工業界嘗試過噴涂、熱轉移、卷對卷工藝，但石墨烯片之間的超低摩擦讓它們難以形成穩定連續膜。

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

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周。鈣鈦礦是一類廉價輕量太陽能材料，但它們比硅基太陽能板更易降解。如果加厚，壽命延長的幅度會更顯著。這為太陽能電池封裝提供了一個全新的材料選項：輕量、可涂覆、不透氣。

在應用方面，范圍極廣，覆蓋幾乎所有需要防護的行業：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化的關鍵因素；工業基礎設施防腐。橋梁、鐵路、海洋工程、航空航天零部件，這些設施常年面臨氧化、濕氣和有害氣體侵蝕，超薄氣密涂層可以顯著延緩退化；食品與藥品封裝。傳統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期限。

論文展示的另一個亮點，是團隊制作了世界上第一個基于二維聚合物的納米共振器。共振器是手機等通信設備的核心元件，用來選擇信號頻率。今天的微機械共振器尺寸仍在毫米級，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 的出現提供了一個更可制造的替代路徑。它不僅堅固，而且因為完全不透氣，可以穩定維持納米鼓膜結構。

總而言之，這項研究跨越了材料科學的多個傳統邊界：溶液聚合材料，卻具有晶體般的絕對氣密性；聚合物的可制造性+石墨烯的分子屏障性能；強度超過鋼，卻只有其六分之一密度；可用于能源、基礎設施、通信、生物醫藥等跨領域應用。

如果未來得以規模化，2DPA-1 可能成為一種“基礎設施級”的材料革命，改變我們與環境、腐蝕、壽命管理的關系。

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