一种由二维芳纶制成的分子级不透膜

传统观点认为，聚合物的有序性介于晶体和非晶体之间，由密集堆积的晶区和非晶区组成。晶区因无自由体积而不透气，但非晶区的自由体积（即使在高结晶度下也存在）导致聚合物具有透气性。液晶聚合物因自由体积极小，曾是氮气渗透性最低的材料，约为10⁻⁵巴雷尔。相比之下，无缺陷的石墨烯因无自由体积而对所有气体不渗透，但需高温生长且难以宏观转移。

本文通过三聚氰胺和均苯三甲酰氯的缩聚反应合成了二维聚芳酰胺（2DPA-1），可形成4-65纳米厚的自支撑纳米膜。分散在三氟乙酸或二甲基亚砜中的2DPA-1纳米片直径约10纳米，其单元结构含三嗪核和酰胺键，具有高化学稳定性。虽然粉末X射线衍射显示其结晶度仅约20.7%，但扫描透射电镜和偏振光致发光表明纳米膜存在层状取向有序，层间距约3.3±0.2 Å，层间无自由体积，类似无机二维晶体。

为测试气体不渗透性，研究人员将2DPA-1膜悬浮在硅/氧化硅微孔上，通过光学干涉观察膜的鼓包偏转。结果显示，35纳米厚的膜在氮气加压下形成稳定鼓包，110天内无明显泄气，推算氮气渗透性低于3.1×10⁻⁹巴雷尔，比液晶聚合物低近四个数量级，接近石墨烯的氢气渗透性。对氦、氩、氧、甲烷和六氟化硫等气体也观察到类似低渗透性。

密度泛函理论和分子模拟表明，2DPA-1双层的交错堆叠（偏移约61%）使有效孔径减小，氮气穿越能垒高达77.0 kJ/mol，导致极高的传输阻力。此外，2DPA-1纳米膜可作为纳米机电谐振器，共振频率约8 MHz，品质因数达537，与石墨烯相当。将60纳米厚的2DPA-1涂覆在对空气敏感的钙钛矿上，可将其晶格降解速率降低14倍，氧气渗透性为3.3×10⁻⁸巴雷尔。

这种分子级不渗透聚合物兼具传统聚合物的可加工性和化学修饰性，能以最少材料实现最大分子截留，有望成为下一代阻隔材料，推动可持续发展目标。