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1月15日，記者從中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所獲悉，該所潤(rùn)滑材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室材料表面與界面課題組周峰研究員團(tuán)隊(duì)，在可持續(xù)超潤(rùn)滑水凝膠研究領(lǐng)域取得重大突破，相關(guān)成果發(fā)表于《先進(jìn)材料》。

人體關(guān)節(jié)軟骨憑借獨(dú)特結(jié)構(gòu)構(gòu)建出高承載與超低摩擦的天然潤(rùn)滑系統(tǒng)，水凝膠作為人工軟骨替代材料備受關(guān)注。但傳統(tǒng)潤(rùn)滑水凝膠存在結(jié)構(gòu)均一性問(wèn)題，提高力學(xué)性能會(huì)削弱潤(rùn)滑能力，追求低摩擦又會(huì)使材料在高載荷下易失效，這嚴(yán)重制約了其在高載荷、長(zhǎng)壽命潤(rùn)滑場(chǎng)景的應(yīng)用。

該所研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，提出“選擇性破壞雙連續(xù)微相限域”的創(chuàng)新材料設(shè)計(jì)思路，成功構(gòu)建出具有雙連續(xù)微相限域結(jié)構(gòu)的共聚物水凝膠（BiGel）。該結(jié)構(gòu)中，親水相與疏水相在納米尺度相互貫穿、彼此限域，形成大量連續(xù)且高度互聯(lián)的微相界面，為材料提供高效的應(yīng)力傳遞與能量耗散通道，使水凝膠彈性模量高達(dá)約417兆帕，遠(yuǎn)超多數(shù)已報(bào)道的潤(rùn)滑水凝膠體系。

在保證整體強(qiáng)度的同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)水凝膠表面進(jìn)行堿性PBS溶液處理，選擇性地破壞表層微相限域結(jié)構(gòu)，釋放出親水聚合物鏈，在表面形成一層高度水合、類(lèi)似刷狀的潤(rùn)滑層（BiGel-CB）。該潤(rùn)滑層通過(guò)強(qiáng)水合作用與熵排斥力的協(xié)同機(jī)制，顯著降低界面剪切應(yīng)力，在水潤(rùn)滑條件下實(shí)現(xiàn)了低至約0.0029的摩擦系數(shù)，達(dá)到“超潤(rùn)滑”水平。

更具突破性的是，該水凝膠體系在長(zhǎng)期摩擦過(guò)程中展現(xiàn)出自再生潤(rùn)滑能力。摩擦磨損會(huì)誘導(dǎo)界面發(fā)生動(dòng)態(tài)解離平衡，持續(xù)補(bǔ)充潤(rùn)滑界面。在50N高載荷、10萬(wàn)次摩擦循環(huán)后，摩擦系數(shù)仍維持在約0.0034，幾乎無(wú)性能衰減。同時(shí)，雙連續(xù)微相結(jié)構(gòu)耦合表面潤(rùn)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。

與傳統(tǒng)依賴共價(jià)交聯(lián)的水凝膠不同，該體系基于線性聚合物與氫鍵締合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，可在堿性條件下解離為液態(tài)前驅(qū)體，再通過(guò)調(diào)節(jié)pH值重新凝膠化，實(shí)現(xiàn)形狀重塑和潤(rùn)滑涂層反復(fù)使用。經(jīng)過(guò)100次“降解—重建”循環(huán)后，材料仍可保持約98.5%的減摩性能。

該研究成果打破了水凝膠材料機(jī)械強(qiáng)度與界面潤(rùn)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，為人工關(guān)節(jié)、軟體機(jī)器人和極端環(huán)境下的潤(rùn)滑需求提供了全新材料解決方案，也為未來(lái)智能化、可持續(xù)潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了重要理論與技術(shù)范式。