科研進展
蘭州化物所可持續(xù)超潤滑水凝膠研究獲新進展
在人體關(guān)節(jié)中，軟骨依托多尺度膠原網(wǎng)絡(luò)、多相組分及其界面的協(xié)同作用，構(gòu)建出兼具高承載與超低摩擦的天然潤滑系統(tǒng)?；谶@一特性，水凝膠作為有潛力的人工軟骨替代材料備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)潤滑水凝膠往往因結(jié)構(gòu)均一性而陷入兩難境地，提高整體網(wǎng)絡(luò)致密度雖能增強力學(xué)性能，卻會削弱表面水合與潤滑能力；單純追求低摩擦，又會使材料在高載荷下迅速變形、蠕變甚至失效。這種長期存在的性能權(quán)衡，嚴重制約了水凝膠在高載荷、長壽命潤滑場景中的實際應(yīng)用。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點實驗室材料表面與界面課題組周峰研究員團隊提出了一種全新的材料設(shè)計思路，通過“選擇性破壞雙連續(xù)微相限域”，在同一材料中實現(xiàn)強韌承載骨架與超潤滑界面的協(xié)同統(tǒng)一。
圖1.(a) 具有雙連續(xù)承載相和潤滑相的強韌潤滑水凝膠（BiGel-CB）系統(tǒng)示意圖。(b) 水凝膠系統(tǒng)內(nèi)聚合物鏈段間的相互作用及限域破壞過程示意圖。(c) 凝膠系統(tǒng)的承載與潤滑機制。(d) 本研究水凝膠與其他已報道潤滑水凝膠的楊氏模量與摩擦系數(shù)對比圖。
研究團隊以甲基丙烯酸（MAA）和甲基丙烯酰胺（MAAm）為模型單體，采用溶劑交換誘導(dǎo)微相分離的策略，成功構(gòu)建出一種具有雙連續(xù)微相限域結(jié)構(gòu)的共聚物水凝膠（BiGel）。在該結(jié)構(gòu)中，親水相與疏水相在納米尺度上相互貫穿、彼此限域，形成大量連續(xù)且高度互聯(lián)的微相界面。這種渝滲的雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，為材料提供了高效的應(yīng)力傳遞與能量耗散通道，使水凝膠在外加載荷下能夠顯著抑制形變、鈍化裂紋擴展。實驗結(jié)果表明，該水凝膠的彈性模量高達約 417 MPa，遠高于絕大多數(shù)已報道的潤滑水凝膠體系。
在保證整體強度的同時，研究人員進一步對水凝膠表面進行堿性 PBS 溶液處理，選擇性地破壞表層微相限域結(jié)構(gòu)。這一過程解離了凝膠的氫鍵締合網(wǎng)絡(luò)，破壞了親疏水微相界面，釋放出原本被限域的親水聚合物鏈，使其在表面形成一層高度水合、類似刷狀的潤滑層（BiGel-CB）。
圖2. (a) 通過溶劑交換策略制備結(jié)構(gòu)可調(diào)線性共聚物水凝膠網(wǎng)絡(luò)的示意圖。(b) 不同MAAm含量（摩爾分數(shù)）水凝膠的宏觀光學(xué)照片。(c) 不同水凝膠的掃描電鏡圖像。(d)BiGel和IsoGel的原子力顯微鏡高度圖與相圖。(e) 表面限域破壞處理形成潤滑層的示意圖。(f)?BiGel-CB截面掃描電鏡圖像，顯示梯度結(jié)構(gòu)。(g)?BiGel、IsoGel及其限域破壞后樣品表面的ATR-FTIR光譜。(h) 不同水凝膠的LF-NMR T?弛豫時間分布。
圖3. (a) 不同水凝膠的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) 楊氏模量和韌性與MAAm含量的關(guān)系。(c) 表面納米壓痕測試曲線。(d) 抗蠕變性能測試示意圖及(e)蠕變曲線。(f) 純剪切測試示意圖及(g)斷裂能結(jié)果。(h) 水滴在BiGel-CB和IsoGel-CB表面的動態(tài)鋪展過程。(i)?超親水及水下超疏油性能評估。
該潤滑層通過強水合作用與熵排斥力的協(xié)同機制，顯著降低界面剪切應(yīng)力，使材料在水潤滑條件下實現(xiàn)了低至約 0.0029 的摩擦系數(shù)，達到典型的“超潤滑”水平。雙連續(xù)的微相限域破壞能夠產(chǎn)生更加均勻的水合層，增強潤滑效果。孤島狀的微相限域破壞導(dǎo)致水合層存在大量疏水缺陷，抑制潤滑效果。
圖4.(a)?BiGel-CB和(b)?IsoGel-CB的潤滑機制示意圖。(c, d)?BiGel-CB和IsoGel-CB的Stribeck曲線及相應(yīng)水合高度變化。(e, f) 在邊界潤滑狀態(tài)下，摩擦系數(shù)隨載荷的變化。(g, h)?BiGel-CB和IsoGel-CB表面的AFM高度圖。(k, l) 利用LFM測得的側(cè)向力-法向力曲線及計算得出的微觀摩擦系數(shù)。
更具突破性的是，該水凝膠體系在長期摩擦過程中展現(xiàn)出自再生潤滑能力。研究發(fā)現(xiàn)，摩擦磨損本身會誘導(dǎo)界面發(fā)生動態(tài)解離平衡，持續(xù)暴露新的親水鏈段，從而持續(xù)補充潤滑界面。在 50 N 高載荷、10 萬次摩擦循環(huán)后，該材料的摩擦系數(shù)仍維持在約 0.0034，幾乎無性能衰減。與此同時，雙連續(xù)微相結(jié)構(gòu)耦合表面潤滑層還能有效鈍化摩擦裂紋、分散應(yīng)力集中，顯著提升耐磨壽命。
圖5.(a) 摩擦測試示意圖及BiGel、BiGel-CB和IsoGel-CB對應(yīng)的摩擦系數(shù)曲線。(b)?BiGel-CB和IsoGel-CB摩擦系數(shù)隨載荷的變化。(c) PMAA-CB、BiGel-CB、PMAAm-CB和IsoGel-CB樣品的平均摩擦系數(shù)。(d) 摩擦裂紋擴展示意圖及 i)?BiGel, ii)?BiGel-CB, iii)?IsoGel-CB的裂紋光學(xué)圖像（比例尺：200 μm）。(e)?BiGel、BiGel-CB和IsoGel-CB的界面裂紋擴展速率隨載荷的變化。(f)?BiGel-CB在50 N法向載荷下的長期潤滑性能。(g)?BiGel-CB在PBS溶液中摩擦測試前后的表面光學(xué)圖像：i) 摩擦前，ii) 摩擦后，iii) 摩擦邊界（比例尺：200 μm）。
與傳統(tǒng)依賴共價交聯(lián)的水凝膠不同，該體系完全基于線性聚合物與氫鍵締合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。這一特性使其在磨損或服役失效后，可在堿性條件下解離為液態(tài)前驅(qū)體，再通過調(diào)節(jié) pH 值重新凝膠化。由此，材料不僅可以實現(xiàn)形狀重塑，還可作為潤滑涂層反復(fù)使用。實驗表明，經(jīng)過 100 次“降解—重建”循環(huán)后，材料仍可保持約 98.5% 的減摩性能，為解決潤滑材料報廢帶來的資源浪費及潛在微塑料污染問題，提供了切實可行的新路徑。
圖6.(a) 魯棒潤滑系統(tǒng)的閉環(huán)回收示意圖。(b) 形狀重塑過程示意圖。(c) 制造的不同形狀水凝膠圖案（銀杏葉、研究所徽章“LICP”、文字“Lubrication”）。(d) 水凝膠涂層與相應(yīng)裸基底摩擦系數(shù)的對比。(e) 降解-重建循環(huán)過程中的摩擦系數(shù)曲線及(f)平均摩擦系數(shù)值對比（以玻璃為基底，“處理次數(shù)”以奇數(shù)次代表涂層、偶數(shù)次代表降解來表征）。
該研究通過“選擇性破壞微相限域”這一創(chuàng)新策略，打破了水凝膠材料中機械強度與界面潤滑性能不可兼得的傳統(tǒng)桎梏，首次在同一體系中集成了超高模量、超低摩擦、優(yōu)異耐磨性與閉環(huán)可回收性。
該工作不僅為人工關(guān)節(jié)、軟體機器人和極端環(huán)境下的潤滑需求提供了全新的材料解決方案，也為未來智能化、可持續(xù)潤滑系統(tǒng)的設(shè)計奠定了重要理論與技術(shù)范式。相關(guān)研究成果以“Selectively Breaking Bicontinuous Microphase Confinement for Sustainable and Unprecedented Superlubricating Hydrogels”為題，發(fā)表在期刊Advanced Materials上，蘭州化物所戚長敏博士生為論文第一作者，蔡美榮研究員為通訊作者。
以上研究工作得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）、國家自然科學(xué)基金委等項目的支持。
