【导读】
澳大利亚昆士兰大学Xiwang Zhang院士团队近日提出并验证了“nanochannel-confined polymerization（NCP，纳米孔道内聚合）”这一制膜范式：先由二维片层搭建受限纳米孔道，再在孔道内原位触发聚合物前驱体的原位网络聚合，使聚合链增长与交联过程受到几何限域与片层取向的约束，从而构筑出异常致密且结构均一的聚合物网络薄膜。通过压力诱导的空间限域增强片层对齐，膜密度可由 1.10 g cm⁻³ 提升至 1.51 g cm⁻³，并伴随自由体积尺度从 95 Å 收缩至 67 Å、分布显著变窄，形成“对齐—致密化—自由体积收缩”的清晰机理验证。该致密、低缺陷网络直接转化为优异力学表现：功能薄膜在微米级厚度下实现抗拉强度 119.9 MPa、杨氏模量 3.2 GPa，且可承载 0.85 kg 并经 10⁵ 次弯折仍保持力学完整性，说明 NCP 能在超薄膜体系中同时实现高强度与高韧性，为高可靠性自由支撑膜的构筑提供了可推广的材料设计与制造路径。
【核心创新点】
1. 把“聚合反应的位置”从体相转移到二维纳米孔道内
传统聚合在体相进行，链增长与交联容易产生尺度不均一的孔隙/疏松区域；本文的关键创新是先搭建二维片层形成的纳米孔道，再在孔道内原位发生网络聚合，使反应路径在几何上被强制限域，从源头上抑制“松散堆砌+缺陷孔洞”的形成，构筑更连续、更紧密的聚合物网络。
2. “压力诱导空间限域”作为可调旋钮：建立取向—密度的定量可控关系
把压力用作结构调控手段：随压力增加，片层取向因子从 0.66 提升到 0.71，同时膜密度从 1.10 g cm⁻³ 提升到 1.51 g cm⁻³，并明确指出致密化来自 pressure-induced spatial confinement。
3. 实现“超致密”仍具“超强韧”的反常组合：
强度、模量与循环弯折同时成立，在得到异常致密（高密度、低自由体积）结构的同时，薄膜并未走向脆裂，而是在微米级厚度下达到抗拉强度 119.9 MPa、杨氏模量 3.2 GPa，并可承载 0.85 kg、经历上万次弯折仍保持力学完整性。该结果表明 NCP 构筑的网络在“强—韧”之间实现了工程上真正有意义的兼容。
【数据概览】
图1（NCP 概念与策略）。
图1展示了 nanochannel-confined polymerization（NCP，孔道内聚合）的核心思想：将二维层状组装形成的亚纳米—纳米级层间孔道作为“纳米反应器”，使单体扩散、反应与聚合物链增长都受到孔道尺寸与形状的限域约束。图中对比了体相聚合（反应在液体溶液种发生）与自然界通道限域合成（在蛋白通道内精准合成多糖链）并引出 NCP：在人工二维孔道中实现类似的“受限合成”。同时，图1也把“高强度/高稳定膜”的结构特征总结为：更有序的微结构 + 更完善的交联网络 + 更强的内部相互作用；相对地，“低强度膜”往往表现为结构不规则、相间/域间结合弱、易产生结构失稳。这说明了本文的创新不是“换一种材料”，而是把“聚合发生的位置”从体相搬进孔道里，用空间限域去“逼迫”形成更致密、更规整的聚合物网络，从机制上指向“高强度与结构稳健性”的来源。
图2（力学性能：薄、强、耐疲劳）
图2展示了 NCP 诱导的力学增强证据链，覆盖“纳米厚度—微米厚度—宏观演示”。膜的厚度可调范围非常宽：50 nm 到 20 µm；其中 50 nm 膜在保持完整结构的同时，通过起皱/屈曲法估算的杨氏模量为 2.84 GPa。微米级膜（代表厚度 9.4 μm）的截面电镜显示致密堆积、近乎无孔洞（void-free）结构；通过调控 g-C₃N₄/PEI 负载与环氧树脂交联剂浓度，膜达到抗拉强度119.9 MPa、杨氏模量3.2 GPa，相对非限域对照分别提升 529% 与 958%。宏观演示与耐疲劳：10 µm 膜（2×2 cm）可无支撑承载 0.85 kg；经历 100,000 次弯折后仍保持力学完整性，并且在 1% 初始应变下表现出更强的抗形变能力（应力松弛对比）。这说明了 NCP 并不是“把膜做厚”换强度，而是通过孔道限域导致的网络致密化与结构规整化，使得材料在极薄尺度依然具备接近工程材料的刚度与强度，并同时具备显著的抗疲劳弯折能力。
图3（“致密网络”与结构证明：密度、致密性与工程相关指标）
图3展示了 NCP 构筑的“高密度网络”不仅在微结构上致密，而且在宏观工程指标上可被量化验证。作者将 NCP 进一步扩展到带正电的阴离子型poly(ammonium) 体系后，得到截面致密、无缺陷结构的阴离子交换膜，并给出体密度 1.56 g cm⁻³；压力驱动渗透测试得到跨膜水通量 0.85-1.91 LMH·bar⁻¹，与典型脱盐膜同量级，用于侧面佐证其“致密而连续”的膜结构；同时该致密网络也带来可观的力学强度，抗拉强度为 64.2 MPa，约为常规的阴离子交换膜两倍量级。这说明了 NCP 的核心产物特征是“高密度、低缺陷、连续网络”：密度指标（~1.56 g cm⁻³）与渗透/力学的综合表现共同支撑“结构致密化”这一主张。
图4（致密化机理）
图4展示了 NCP 致密化与强度提升的机理：作者在 0/1/6 bar 三种压力梯度下组装与聚合，系统比较纳米片取向、膜密度、自由体积与力学响应：小角XRD衍射实验证实取向因子随压力上升：0.66（0 bar）→ 0.69（1 bar）→ 0.71（6 bar）；在化学组成相同条件下，密度同步上升：1.10 → 1.44 → 1.51 g cm⁻³，并明确指出致密化来自压力和孔道引起的空间限制作用，且 1.51 g cm⁻³ 高于典型未填充型聚合物（0.9–1.2 g cm⁻³）；正电子湮没表征给出自由体积收缩与均一化：平均自由体积尺寸 95 Å（0 bar）→ 67 Å（6 bar），分布宽度 FWHM 50 Å → 20 Å。力学随限域增强显著提升：断裂强度 119.9 MPa（6 bar）→ 87.7 MPa（1 bar）→ 22.7 MPa（0 bar）；同时断裂伸长率呈相反趋势 7.4% → 8.8% → 11.1%。这说明了 NCP 的关键不是“化学更强”，而是“结构更紧”：压力诱导对齐增强→纳米限域更强→聚合物在孔道内被迫形成更致密、更均一的堆砌（自由体积更小且分布更窄）→从而带来强度的数量级跃升。
【成果启示】
原文详情：
参考文献：Zhuyuan Wang, Chen Jia, Yuxiang Wang, Xue Yan, Ming Yong, Ze-Xian Low, Xiangkang Zeng, Jindi Yang, Hao Zhang, Xuefeng Li, Kaige Sun, Mike Tebyetekerwa, Rongming Xu, Wenming Zhao, Kaijie Xu, Yuan Kang, Ekaterina Strounina, Daria V. Andreeva, Andrew K. Whittaker, Jefferson Zhe Liu, Chuan Zhao, Kostya S. Novoselov, Xiwang Zhang* Confined Polymerization in Nanochannels for Synthesising Functional Membranes. Nature Synthesis, 2026, DOI: 10.1038/s44160-026-00991-z
URL: https://www.nature.com/articles/s44160-026-00991-z
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