【科學講堂】研納米芳綸薄膜 破解貯存難題
能夠隔絕氣體與水分的薄層材料，在現實生活中具有多種應用，例如保存食品、保護電子儀器，或在壓力容器中儲存氣體。然而，傳統材料通常並非完全密不透風，常會滲入氧氣與水蒸氣，導致內部物料腐蝕與損壞，或使儲存氣體逐漸洩漏。根據國際包裝協會數據，每年因氧氣與水蒸氣滲透導致的食品腐壞損失約佔總產量的30%，凸顯高阻隔材料的重要性。近期有研究團隊發表新的研究成果，展示一種易於製備且滲透性極低的有機聚合物，本文將探討此一研究進展。
在阻隔功能方面，聚合物為一種理想材料：其具有低密度、高彈性與易加工等特性，塑膠即為一例。然而，傳統聚合物同時包含結晶區域與非晶形結構。結晶部分由緊密排列的聚合物分子組成，近乎不透水與不透氣；相對地，非晶形區域存在大量空隙，允許氣體自由擴散。液晶聚合物中的分子排列具規律性，能有效阻隔氣體擴散，因此滲透性較低，但仍可量測到氣體通過。（典型聚合物對氧氣的滲透系數範圍為10-15至10-10mol·m/m2·s·Pa，取決於結晶度與分子結構。）
石墨烯或類似無機材料可形成完美的平面晶體，內部無任何空隙，因此在常溫常壓下能完全阻隔氣體與液體滲透。理論上，將多層平面晶體堆疊應可製備出高阻隔性材料。
然而，大面積製備此類材料極為困難，且加工過程易產生裂痕與孔洞，破壞其阻隔能力。此外，堆疊此類材料亦具挑戰性，故量產難度極高。
阻隔性能直逼石墨烯
研究團隊利用芳香族聚醯胺纖維（Aromatic polyamide fiber）解決此問題。此聚合物簡稱「芳綸」，可排列成晶體結構，且加工方式與塑膠同樣便利。克維拉（Kevlar，或稱凱夫拉）即為芳綸之例，其密度低卻能承受極大拉力，廣泛應用於飛機、單車輪胎及防彈背心等領域。
不過，克維拉主要將分子沿單一方向排列以增強拉力，本研究更進一步，透過共價鍵令其形成堅固的二維材料，成功將芳綸材料覆蓋於其他基材表面，製成厚度為四納米至六十納米之薄膜。此薄膜由許多納米級板塊組成，每層板塊間空隙僅三分之一納米。在如此緊密排列下，板塊間隙極小，從而實現液體阻隔功能。
為驗證薄膜阻隔能力，研究人員將氮氣注入微型腔體，並以該薄膜密封。透過略微降低周圍壓力，使腔體內氮氣更易向外擴散。
實驗結果顯示，腔體內氮氣保存超過一百日而未出現明顯洩漏。此性能較液晶聚合物提升約一萬倍，甚至接近石墨烯之水平。
小結
綜上所述，此研究成功開發出以芳綸為基礎的新型超低滲透性薄膜，不僅在氮氣阻隔測試中表現卓越，性能直逼石墨烯，更為食品保鮮、電子防護與高壓儲氣等領域的關鍵材料應用開闢了嶄新且實用的途徑。後續研究將聚焦於量產技術的開發，以促成其實際應用。
●杜子航 教育工作者
早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。
