۱۲ نوامبر ۲۰۲۵، امیر خُلَم -تصویر میکروسکوپی نوری از فیلم پلیمری جدید MIT
محققان MIT یک لایه پلیمری چنان نفوذناپذیر ساخته‌اند که حتی مولکول‌های نیتروژن نمی‌توانند از آن عبور کنند و به طور بالقوه انقلابی در محافظت از خوردگی سلول‌های خورشیدی، بسته‌بندی مواد غذایی و زیرساخت‌ها ایجاد می‌کنند.این ماده سبک وزن، تنها با ضخامت نانومتر، گازها را مؤثرتر از هر پلیمری که تاکنون ساخته شده است مسدود می‌کند و با نفوذناپذیری مولکولی گرافن رقابت می‌کند.
این پلیمر جدید را می‌توان به صورت عمده تولید و به راحتی اعمال کرد. این کشف می‌تواند استفاده در مقیاس بزرگ از پوشش‌های نفوذناپذیر را که زمانی به دلیل مشکلات مقیاس‌پذیری گرافن محدود شده بودند، امکان‌پذیر کند. .
این پلیمر که با نام 2DPA-1 شناخته می‌شود، یک پلی‌آرامید دوبعدی است که با استفاده از پیوندهای هیدروژنی به صورت صفحات مولکولی فشرده خودآرایی می‌کند.
مایکل استرانو، استاد مهندسی شیمی دانشگاه MIT و اسکات بانچ، استاد مهندسی شیمی دانشگاه MIT، این تحقیق را به همراه کدی ریت، دانشجوی فوق دکترای سابق MIT، میشل کوئین، دانشجوی کارشناسی ارشد و زیتانگ وی، دانشمند محقق، رهبری کردند.
استرانو می‌گوید: «پلیمر ما کاملاً غیرمعمول است. بدیهی است که از یک واکنش پلیمریزاسیون فاز محلول تولید می‌شود، اما محصول مانند گرافن رفتار می‌کند که به دلیل کریستال کامل، در برابر گاز نفوذناپذیر است. با این حال، وقتی این ماده را بررسی می‌کنید، هرگز آن را با یک کریستال کامل اشتباه نمی‌گیرید.»
برخلاف پلیمرهای معمولی که به گازها اجازه می‌دهند از شکاف‌های بین زنجیره‌های مولکولی درهم‌تنیده عبور کنند، ساختار 2DPA-1 هیچ فضایی بین لایه‌های دیسک مانند خود باقی نمی‌گذارد.
این چیدمان فشرده مانع از عبور حتی کوچکترین مولکول‌های گاز می‌شود.
آزمایشگاه استرانو برای اولین بار این ماده را در سال ۲۰۲۲ توسعه داد و نشان داد که از فولاد قوی‌تر اما شش برابر سبک‌تر است.
وقتی آنها از پلیمر «حباب» ساختند، گاز به دام افتاده هرگز فرار نکرد. ریت به یاد می‌آورد: «حباب‌هایی که در سال ۲۰۲۱ ساختند هنوز متورم هستند. رفتار حباب‌ها از آنچه که برای یک پلیمر معمولی و نفوذپذیر انتظار می‌رود، پیروی نکرد.»
پس از یک سری آزمایش‌های کنترل‌شده طولانی، تیم استرانو تأیید کرد که 2DPA-1 از نظر مولکولی در برابر نیتروژن نفوذناپذیر است.
این پلیمر همچنین در برابر هلیوم، آرگون، اکسیژن، متان و هگزافلورید گوگرد مقاومت کرد و حداقل ۱۰۰۰۰ برابر بهتر از سایر پلیمرها عمل کرد.
جورج شاتز از دانشگاه نورث وسترن نتایج را «قابل توجه» خواند و گفت که پلی‌آرامیدها «در شرایط صنعتی، به مراتب کمتر در برابر اکثر گازها نفوذپذیر هستند.»
این تیم همچنین پتانسیل این فیلم را به عنوان یک پوشش محافظ نشان داد.
یک لایه ۶۰ نانومتری طول عمر یک کریستال پروسکایت، یک ماده امیدوارکننده برای سلول خورشیدی، را از چند روز به سه هفته افزایش داد. پوشش‌های ضخیم‌تر می‌توانند محافظت بیشتری ارائه دهند.
استرانو می‌گوید: «با استفاده از یک پوشش نفوذناپذیر مانند این، می‌توانید از زیرساخت‌هایی مانند پل‌ها، ساختمان‌ها، خطوط راه‌آهن و اساساً هر چیزی که در معرض عناصر خارجی قرار دارد، محافظت کنید. وسایل نقلیه، هواپیماها و کشتی‌های اقیانوس‌پیما نیز می‌توانند از این مزیت بهره‌مند شوند. ماندگاری مواد غذایی و داروها نیز می‌تواند با استفاده از چنین موادی افزایش یابد.»
در حالی که گرافن نفوذناپذیری مشابهی را ارائه می‌دهد، اما مقیاس‌پذیری آن بسیار دشوار است.
استرانو می‌گوید: «ما فقط می‌توانیم گرافن کریستالی را در تکه‌های بسیار کوچک بسازیم. مردم سعی کرده‌اند آن را رنگ کنند، اما گرافن به خودی خود نمی‌چسبد، بلکه هنگام برش می‌لغزد.»
در مقابل، 2DPA-1 به دلیل پیوند هیدروژنی به راحتی می‌چسبد و امکان پوشش‌های بزرگتر و پایدارتر را فراهم می‌کند.
محققان همچنین از 2DPA-1 برای ساخت یک تشدیدکننده در مقیاس نانو، یک درام ارتعاشی میکروسکوپی که می‌تواند دستگاه‌های ارتباطی را کوچک کند، استفاده کردند.
استرانو می‌گوید: “در این مقاله، ما اولین تشدیدکننده دوبعدی پلیمری را ساختیم که می‌توانید با مواد ما انجام دهید زیرا نفوذناپذیر و بسیار قوی است، مانند گرافن.”
چنین تشدیدکننده‌هایی می‌توانند به تلفن‌های کوچکتر و کم‌مصرف منجر شوند و به عنوان حسگرهای مولکولی حساس عمل کنند.
این مطالعه در مجله Nature منتشر شده است.
