Ученые создали непроницаемую для молекул газа тонкую полимерную пленку

Исследователи Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MTI) разработали легкую полимерную пленку, которая практически непроницаема для молекул газа, что повышает вероятность ее использования в качестве защитного покрытия для солнечных батарей и другой инфраструктуры от коррозии, а также для замедления старения упакованных продуктов питания и лекарств, пишет журнал Nature.

Разработчики обнаружили, что полученный полимер, который может быть нанесен в виде пленки толщиной всего лишь в нанометр, полностью отталкивает азот и другие газы, насколько это может быть обнаружено лабораторным оборудованием. Такая степень непроницаемости никогда ранее не наблюдалась ни у одного полимера и соперничает с непроницаемостью молекулярно-тонких кристаллических материалов, таких как графен.

«Наш полимер довольно необычен. Очевидно, что он получен в результате реакции полимеризации в растворной фазе, но продукт ведет себя как графен, который является газонепроницаемым, поскольку представляет собой идеальный кристалл. Однако при изучении этого материала его ни за что не спутаешь с идеальным кристаллом», — говорит Майкл Страно (Michael Strano), профессор химической инженерии Carbon P. Dubbs в Массачусетском технологическом институте.

Полимерная пленка изготавливается с использованием технологии, которую можно масштабировать до больших объемов и наносить на поверхности гораздо проще, чем графен.

Майкл Страно и Скотт Банч (Scott Bunch), адъюнкт-профессор машиностроения Бостонского университета, являются старшими авторами исследования. Ведущие авторы статьи — Коди Ритт (Cody Ritt), бывший постдок Массачусетского технологического института, который в настоящее время является доцентом Университета Колорадо в Боулдере; Мишель Киен, аспирант Массачусетского технологического института; и Цитанг Вей, научный сотрудник Массачусетского технологического института.

Полимер, называемый двумерным полиарамидом, который самособирается в молекулярные слои с помощью водородных связей, был получен в 2022 году. Для создания таких двумерных полимерных листов, чего раньше никто не делал, исследователи использовали структурный элемент под названием меламин, который содержит кольцо из атомов углерода и азота.

При определенных условиях эти мономеры могут расширяться в двух измерениях, образуя диски нанометрового размера. Эти диски накладываются друг на друга, удерживаясь вместе водородными связями между слоями, которые делают конструкцию очень стабильной и прочной.

Данный полимер, который исследователи назвали 2DPA-1, прочнее стали, но его плотность составляет лишь одну шестую от плотности стали.

В своем исследовании разработчики сосредоточились на проверке прочности материала, но также провели некоторые предварительные исследования его газопроницаемости. Для этих целей они создали «пузырьки» из пленок и наполнили их газом. В большинстве полимеров газ, попавший внутрь, просачивается наружу через материал, в результате чего пузырь быстро сдувается.

Однако исследователи обнаружили, что пузыри, сделанные из полимера 2DPA-1, не разрушились. «Поначалу я был весьма удивлен. Поведение пузырьков не соответствовало тому, что можно было бы ожидать от обычного проницаемого полимера. Это потребовало от нас переосмысления того, как правильно изучать и понимать молекулярный транспорт в этом новом материале», — рассказал Коди Ритт.

Традиционные полимеры пропускают газы, потому что они состоят из переплетения молекул, похожих на спагетти, которые неплотно соединены друг с другом. Между нитями остаются крошечные зазоры. Молекулы газа могут просачиваться через эти зазоры, поэтому полимеры всегда обладают хотя бы некоторой степенью газопроницаемости. Однако новый 2D-полимер, по существу, непроницаем из-за того, что слои дисков прилипают друг к другу.

Масштабируемая защитная пленка

Помимо азота исследователи также подвергли полимер воздействию газами гелия, аргона, кислорода, метана и гексафторида серы. Они обнаружили, что проницаемость 2DPA-1 для этих газов составляет по меньшей мере 1/10 000 от проницаемости любого другого существующего полимера. Это делает его почти таким же непроницаемым, как графен, который полностью непроницаем для газов благодаря своей бездефектной кристаллической структуре.

Сегодня ученые работают над созданием графеновых покрытий в качестве барьера для предотвращения коррозии в солнечных батареях и других устройствах. Однако расширение масштабов производства графеновых пленок сопряжено с трудностями, во многом из-за того, что их нельзя просто нанести на поверхность.

«Мы можем изготавливать кристаллический графен только в виде очень маленьких кусочков. Небольшой кусочек графена молекулярно непроницаем, но он не отслаивается. Люди пытались наносить на него краску, но графен не прилипает к себе, а скользит при разрезании. Считается, что графеновые листы, проходящие мимо друг друга, практически не испытывают трения», — рассказывают исследователи.

В отличие от графена, новый полимер 2DPA-1 легко прилипает к солнечным батареям благодаря прочным водородным связям между слоистыми дисками. Исследователи показали, что слой толщиной всего в 60 нм может продлить срок службы кристалла перовскита на несколько недель. Перовскитные материалы могут стать дешевыми и легкими солнечными элементами, но они, как правило, выходят из строя гораздо быстрее, чем кремниевые солнечные панели, которые широко используются в настоящее время.

По словам исследователей, 60-нанометровое покрытие увеличило срок службы перовскита примерно до трех недель, но более толстое покрытие обеспечило бы более длительную защиту. Пленки можно было бы наносить на различные другие структуры, такие как мосты, здания, железнодорожные линии, а также автомобили, самолеты и океанские суда, все, что необходимо защитить от коррозии. В том числе можно увеличить срок годности продуктов питания и лекарств.

Исследование частично финансировалось Центром усовершенствованного наножидкостного транспорта, Исследовательским центром передовых энергетических разработок, финансируемым Научным управлением Министерства энергетики США, а также Национальным научным фондом.