Газонепроникний полімер 2DPA-1: чи стане наноплівка MIT новим бар’єром для сонячних панелей і пакування?

Команда MIT разом із Бостонським університетом повідомила про газонепроникний полімер, який може змінити правила гри в енергетиці та пакуванні. Нова наноплівка 2DPA-1 у лабораторних умовах не пропускає молекули газів у межах чутливості наявних приладів. За показником бар’єрності матеріал підбирається до рівня графена, але його легше наносити на великі площі. Потенційні сфери застосування – від захисного покриття перовскітних сонячних елементів до подовження терміну зберігання харчів і медикаментів.

Що саме створили в MIT

Йдеться про самоорганізовані 2D-поліараміди, які формують тонкі молекулярні листи завдяки водневим зв’язкам. Будівельний блок – меламін, з кільцем атомів вуглецю та азоту. За правильних умов мономери розростаються у площині, утворюючи нанодиски, які щільно складаються шарами. Така архітектура пояснює надзвичайну щільність пакування й відсутність «міжланцюгових» проміжків, притаманних класичним полімерам.

Матеріал відомий під назвою 2DPA-1. У попередніх тестах 2022 року він демонстрував міцність, що перевищує сталь, маючи водночас лише близько однієї шостої її густини. Паралельно вчені зауважили нетипову поведінку «міхурів» з плівки, наповнених газом: вони не спускалися навіть при тривалому спостереженні, включно з екземплярами, зробленими ще у 2021 році.

Найнижча проникність: що довели експерименти

Дослідники поступово підтвердили, що нова плівка є практично непроникною для азоту – у тій мірі, яку дозволяє зафіксувати лабораторна апаратура. Далі вони перевірили низку газів: гелій, аргон, кисень, метан і гексафторид сірки. Результат: пермеабельність 2DPA-1 для цих газів щонайменше у 10 000 разів нижча, ніж у будь-якого відомого полімеру, що наближає поведінку матеріалу до молекулярно-непроникного графена.

Ключ до такої бар’єрності – щільне пакування двовимірних дисків та міжшарове зчеплення водневими зв’язками. На відміну від традиційних «спагеті»-ланцюжків полімерів, що залишають мікропорожнини для дифузії, 2DPA-1 практично не має об’єму, через який гази могли б просочуватися.

“We set up a series of careful experiments to first prove that the material is molecularly impermeable to nitrogen… We had to repeatedly check over an exceedingly long period of time that they weren’t collapsed, in order to report the record impermeability value.”

Чому не графен і чому саме 2DPA-1

Графен відомий нульовою газопроникністю, але його масштабування залишається складним – великі бездефектні площі отримати важко, а шари погано тримаються один за одного та «ковзають» при зсуві. У 2DPA-1 ситуація інша: шари природно «прилипають» між собою завдяки водневим зв’язкам, тож плівку можна отримувати та наносити на великі поверхні значно простіше.

Це відкриває шлях до масштабованого нанесення – тонкі бар’єрні шари усього в декілька десятків нанометрів можуть працювати як ефективний захист там, де графен практично не застосовується через виробничі обмеження.

Перевірене застосування: перовскіти, антикорозія, пакування

Команда показала практичний кейс: плівка 60 нанометрів збільшила стабільність перовскітного кристалу приблизно до трьох тижнів. Це важливо для перовскітних сонячних елементів, які мають потенціал здешевлення фотогальваніки, але швидко деградують на відміну від традиційного кремнію.

Сфери, де 2DPA-1 може додати цінності:

• Бар’єр для корозії – захист поверхонь сонячних панелей, мостів, будівель, залізничних конструкцій та морських суден.
• Промислове пакування – уповільнення старіння та втрати якості харчових продуктів і ліків.
• Нанорезонатори – створення полімерних 2D-«барабанів» для зв’язку та сенсорики, з потенціалом мініатюризації й зниження енергоспоживання у пристроях.

“Normally polymers are reasonably permeable to gases, but the polyaramids reported in this paper are orders of magnitude less permeable to most gases under conditions with industrial relevance.”

Хто стоїть за роботою і хто підтримав

Старші автори дослідження – професор MIT Майкл Страно (Michael Strano) та доцент Бостонського університету Скотт Банч (Scott Bunch). Провідні автори – Коді Рітт (Cody Ritt), Мішель Кієн (Michelle Quien) та Зітанд Вей (Zitang Wei). Роботу частково профінансували Центр Enhanced Nanofluidic Transport – Phase 2 (Energy Frontier Research Center, U.S. Department of Energy Office of Science) та Національний науковий фонд США.

Що це означає для індустрій

Надщільні бар’єрні шари, які легко наносити, можуть зменшити втрати в енергетиці та логістиці – від довговічніших сонячних панелей до ефективнішого зберігання продуктів і фармпрепаратів. Для виробників це шанс продовжити термін експлуатації обладнання та знизити витрати на заміну і ремонт, а для споживачів – стабільніші ціни та довший строк придатності товарів.