传统聚合物因链间自由体积存在，均具有气体渗透性，即使自由体积最小的液晶聚合物，氮气渗透率也仅约 10-5 Barrer；而石墨烯等二维材料因紧密堆积无自由体积，可实现分子级阻隔，但需高温生长且手动转移，限制了其作为阻隔材料的应用。溶液合成具有分子阻隔性的二维聚合物，既能结合传统聚合物的可加工性，又能兼具二维无机材料的低渗透性，是长期以来的研究目标。

近日，麻省理工学院 Michael S. Strano教授、波士顿大学 J. Scott Bunch教授（共同通讯作者）合作成功制备出了一种自支撑的二维聚芳酰胺纳米膜，其氮气渗透性低于3.1×10-9 Barrer，比现有所有聚合物低近四个数量级，并对氦气、氩气、氧气、甲烷和六氟化硫等多种气体表现出同样优异的阻隔性能。该材料不仅可用于制造高频谐振器，还能作为超薄保护层显著延缓空气敏感钙钛矿材料的降解，展现出广阔的应用前景。

2025年11月12日，相关论文以“A molecularly impermeable polymer from two-dimensional polyaramids”为题发表在Nature上。

首先合成了名为2DPA-1的二维聚芳酰胺材料，并将其分散后旋涂成纳米薄膜。图1展示了2DPA-1纳米片的结构与形貌：理论模型揭示了其单层片状结构与层间紧密堆积的特性；透射电子显微镜图像显示纳米片直径约为10纳米，均匀分散于石墨烯支撑的网格上；扫描透射电子显微镜进一步证实了薄膜具有层状有序排列，层间距为 3.3± 0.2埃。当这些薄膜被转移到硅基微孔阵列上时，可形成向上凸起或向下凹陷的稳定结构，其偏转高度可通过原子力显微镜精确测量，显示出优异的机械强度和界面密封性能。

图1 2DPA-1 的结构与薄膜鼓泡特性。a. 为 2DPA-1 单层纳米片理论结构；b. 为TEM 下分散在石墨烯支撑网格上的 2DPA-1 纳米片；c. 为 2DPA-1 薄片理论结构（含少量空隙）；d. 为STEM 下旋涂薄膜边缘的 2DPA-1 薄片排列；e. 为d 图的强度分布；f、i. 为薄膜挠度横截面示意图（f 为正向鼓泡，i 为负向凹陷）；g、j. 为正向鼓泡和负向凹陷的光学显微镜图；h、k. 为 g、j 对应的 AFM 图及挠度剖面

为了验证其分子不可渗透性，利用微孔凸起实验进行了长期气体阻隔测试。图2记录了在氮气加压条件下，薄膜从初始凹陷状态逐渐充气形成稳定凸起的动态过程。光学干涉技术使研究人员能够实时追踪薄膜偏转变化，发现即使在110天内，充有150 kPa氮气的凸起也未发生明显泄气。通过计算，2DPA-1薄膜的氮气渗透性上限被确定为3.1×10-9 Barrer，接近完美石墨烯的阻隔水平，且远低于所有已知液晶聚合物。

图2 氮气渗透性测量与凸起持久性。a. 为 2DPA-1 凹陷在氮气加压前后的挠度变化（白色点为 AFM 数据，红色点为光学干涉数据）及不同时间的鼓泡剖面；b. 为氮气渗透率与结晶度的关系（含多种传统聚合物数据对比）

除了氮气，该材料对六氟化硫、氩气和甲烷等其他气体也表现出类似的不可渗透性。图3显示了这些气体所形成的凸起在长时间内偏转仅出现微小随机波动，均方位移分析表明其行为符合受限扩散模型，进一步证实气体并未透过薄膜逸出。特别值得注意的是，这些凸起在长达三年内仍保持稳定，说明2DPA-1材料不仅本身无渗透路径，还不会因吸湿或物理老化而丧失屏障功能。

图3 不同气体凸起偏转随时间的随机波动。a-d. 为氮气、六氟化硫、氩气、甲烷填充鼓泡的归一化挠度随时间变化；e-h. 为4 个 2DPA-1 鼓泡挠度的均方根位移（MSD）分析；i. 为初始挠度对数与约束长度平方对数的线性关系

在实际应用方面，图4展示了2DPA-1在纳米机电系统和光伏封装中的潜力。通过调控合成过程中芳环与端基的比例，可制备出具有不同尺寸和机械强度的纳米片，其中大尺寸纳米片能形成均匀稳定的悬浮薄膜。这些薄膜在真空中表现出高达8 MHz的共振频率和537的品质因子，媲美石墨烯谐振器。此外，将60纳米厚的2DPA-1涂层旋涂于甲基铵铅碘钙钛矿表面，可将其在空气中的降解时间从3天延长至21天，相当于将晶格降解速率降低了14倍。通过降解动力学模型推算出其氧气渗透性为3.3×10−8Barrer，再次验证了其作为高效屏障材料的可行性。

图4 2DPA-1的实际应用拓展。a. 为芳香族与端基比例（r）与芳香族偏斜度（s）的关系；b. 为 2DPA-1 薄膜作为纳米机电谐振器的示意图；c. 为 35 nm 厚 2DPA-1 谐振器的功率谱密度；d. 为 2DPA-1 旋涂封装 MAPbI3的示意图；e. 为未涂覆 2DPA-1 的 MAPbI3在空气中的 XRD 谱图（随时间变化）；f. 为涂覆 60 nm 2DPA-1 的 MAPbI3在空气中的 XRD 谱图（随时间变化）

总之，论文创新性主要体现在三方面：①突破传统聚合物阻隔性能瓶颈：首次通过溶液相缩聚合成具有分子级阻隔性的二维聚芳酰胺（2DPA-1），氮气渗透率低于 3.1×10-9 Barrer，比现有最低渗透聚合物低近四个数量级，性能比肩石墨烯，同时保留传统聚合物的溶液可加工性，解决二维无机材料难加工、需高温生长的问题；②揭示新型阻隔机制：提出 “交错堆积 + 位阻能垒” 协同机制，通过薄片交错堆积减小有效孔径，结合高传输能垒抑制气体分子穿越，而非依赖传统聚合物的高结晶度，且通过调控端基比例（r）可实现薄膜机械稳定性与阻隔性的精准匹配；③拓展二维聚合物应用场景：首次将二维聚芳酰胺用于纳米机电谐振器（品质因数达 537）和钙钛矿封装（降解速率降低 14 倍），证实其在高频器件、光电子防护等领域的实用价值，为下一代阻隔材料与功能器件设计提供新范式。