未來的手機(jī)屏幕有無可能再也不會摔碎？食品包裝能否永遠(yuǎn)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?dú)w功于美國麻省理工學(xué)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(guān)論文發(fā)表于 Nature。

他告訴 DeepTech：“一個關(guān)鍵的優(yōu)勢是，實(shí)現(xiàn)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(dāng)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(shí)驗(yàn)室獨(dú)創(chuàng)的。據(jù)我們所知，已有其他科研團(tuán)隊(duì)開始使用我們報(bào)道的這種材料進(jìn)行不同領(lǐng)域的應(yīng)用探索。例如，前不久復(fù)旦大學(xué)和上海交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)就利用我們的材料，成功增強(qiáng)了鋰電池電極的性能，并將其作為保護(hù)層，相關(guān)論文也已發(fā)表在 Nature Materials 上?！彼^續(xù)說道。

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(hù)三維鉛基鈣鈦礦材料。在新能源領(lǐng)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(fā)現(xiàn)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(diǎn)。

只要在空氣中暴露幾天，鈣鈦礦就會發(fā)生降解，從閃閃發(fā)光的黑色變成黃色的廢料，以至于失去了材料的半導(dǎo)體性質(zhì)。為了解決這一問題，傳統(tǒng)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(fā)現(xiàn) 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(hù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：沒有保護(hù)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(jié)構(gòu)。而得到 2DPA-1 保護(hù)的鈣鈦礦，在空氣中放置 21 天之后，依然保持著良好狀態(tài)，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(shí)驗(yàn)，魏子棠還推算出了 2DPA-1 對于氧氣的超低滲透性的特點(diǎn)，再次證明了它超強(qiáng)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(guān)聯(lián)。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(fù)雜且費(fèi)時(shí)費(fèi)力的測試手段來監(jiān)測材料氣體阻隔性能，只需在普通光學(xué)顯微鏡下，就能通過薄膜顏色的實(shí)時(shí)變化，直觀地監(jiān)測氣體滲透過程以及薄膜尺寸和維度的動態(tài)改變。

這是一個顯著的突破，它極大地節(jié)約了時(shí)間，并大幅降低了研究這種材料的門檻，實(shí)現(xiàn)了所謂的實(shí)時(shí)動態(tài)測量。”

這樣一種薄到極致、堅(jiān)固到極致、密封到極致的材料，意味著 2DPA-1 有望讓手機(jī)和智能手表真正做到防水、防塵和防腐蝕，哪怕掉進(jìn)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(fù)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(hù)宇航員免受太空極端環(huán)境的傷害。它更有望將食品和藥品的包裝做得更薄更環(huán)保，但是保鮮效果卻能提高無數(shù)倍，從而可以大大減少食物浪費(fèi)。

從分子漁網(wǎng)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(shí)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(huán)其實(shí)就是三甲酰氯。

當(dāng)你把它們混合在一起時(shí)，鉤子會自動扣上環(huán)，“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(huán)在溶液中相遇，它們會自發(fā)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(wǎng)”。

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(wǎng)絡(luò)一樣。

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

一張漁網(wǎng)當(dāng)然會漏東西，但如果把多張漁網(wǎng)疊在一起，并且每一張網(wǎng)兜稍微錯開一點(diǎn)位置，讓上一張網(wǎng)的網(wǎng)線正好擋住下一張網(wǎng)的網(wǎng)眼呢？那么，即使是再小的氣體分子，也不可能從漁網(wǎng)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(shí)據(jù)。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(shù)刻蝕出了無數(shù)個微米級別的小“井”，每個井只有百分之一毫米寬，比頭發(fā)絲還要細(xì)很多。

然后，他使用旋涂和薄膜轉(zhuǎn)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(jié)果發(fā)現(xiàn)：有些井在蓋蓋子的時(shí)候，不小心困住了一些空氣。于是，內(nèi)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(dǎo)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(shí)氣球就會癟掉；如果酒窩外部的空氣慢慢滲進(jìn)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(xù)觀察這些氣球和酒窩。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：一些充入了氮?dú)獾臍馇?，歷經(jīng)整整 110 天之后，一點(diǎn)都沒有癟下去的跡象。還有一批最初因?yàn)楸焕ё〉目諝舛钠鸬臍馇颍踔帘３至?1,000 多天的超過 3 年的膨脹狀態(tài)。

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(jié)果仍然一樣。這個實(shí)驗(yàn)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。

振動頻率高達(dá)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(jiān)固性也能實(shí)現(xiàn)“高頻跳舞”。魏子棠把這些覆蓋著小氣球的芯片放進(jìn)真空環(huán)境，然后使用一束非常精密的激光照射薄膜的中心，結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(dá)每秒 800 萬次（8MHz），這個頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhì)因數(shù)的指標(biāo)來衡量，借此發(fā)現(xiàn)它的數(shù)值高達(dá) 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(fā)生細(xì)微的改變。通過監(jiān)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(fā)量子計(jì)算機(jī)成為感知微弱力量的神探。

魏子棠表示：“我們的理念是，在獲得一種新材料或一個新發(fā)現(xiàn)之后，不應(yīng)立即盲目地進(jìn)行報(bào)道或撰寫論文。盡管這篇文章在 2025 年 11 月才正式發(fā)表，但實(shí)際上這個項(xiàng)目最早可以追溯到 2020 至 2021 年材料剛剛合成出來的時(shí)候，那時(shí)我們就已經(jīng)觀察到了類似的性質(zhì)。

但從最初發(fā)現(xiàn)這一特性，到最終將其研究得非常透徹、數(shù)據(jù)非常扎實(shí)、展示非常直觀，我們投入了漫長的時(shí)間。在這個過程中，我們持續(xù)進(jìn)行了大量基礎(chǔ)工作，例如對材料化學(xué)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)表征，以及對材料尺寸、形貌等的細(xì)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(fā)表第一篇相關(guān)的應(yīng)用論文。但一旦徹底理解了其內(nèi)在機(jī)理，打通了關(guān)鍵的路徑，后續(xù)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(yīng)用于哪個具體方向而已?！斑@也是我來到麻省理工學(xué)院之后一個很重要的收獲，也是在與頂尖科學(xué)家合作中學(xué)到的寶貴理念：對基礎(chǔ)科學(xué)的極度重視?！逼浔硎?。

總的來說，本次研究的創(chuàng)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(jī)材料的、非常成熟的表征方法，成功移植并應(yīng)用于有機(jī)材料，特別是有機(jī)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(dāng)前的研究熱點(diǎn)，我相信許多同行會對我們的發(fā)現(xiàn)感興趣。事實(shí)上，我們已經(jīng)收到來自麻省理工學(xué)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(wěn)定性。

這個能直接解決領(lǐng)域內(nèi)核心難題的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)讓我感到無比興奮。此外，我們已經(jīng)收到了一些來自印度、西班牙等國家的公司的聯(lián)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(yīng)用到他們各自所需的特定體系或產(chǎn)品中去?！?