蘭州化物所在界面接觸與潤滑調(diào)控機制研究中取得進展

　　軟物質(zhì)濕滑材料在受力剪切條件下通常會發(fā)生變形，不利于滑動界面實現(xiàn)低摩擦。由于水作為潤滑劑黏度較低，在高載荷（特別是球-盤）接觸條件下，軟物質(zhì)系統(tǒng)的摩擦力來源于剪切過程中接觸表面之間的界面相互作用力（Fint）和接觸變形引起的阻礙效應（Fdef）。在保證表面水化的條件下，最大限度降低變形，是實現(xiàn)軟物質(zhì)類濕滑材料潤滑與承載性能統(tǒng)一的有效策略之一。

　　受鯰魚肌肉硬化觸發(fā)的表皮系統(tǒng)潤滑轉(zhuǎn)變行為啟發(fā)（圖1），中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室研究員周峰團隊報道了一種新型模量自適應潤滑水凝膠材料。

　　該材料由微米級厚度的表面聚電解質(zhì)親水潤滑層和具有熱觸發(fā)相變特征的水凝膠承載層組成。在低溫條件下，材料處于柔軟狀態(tài)（模量：~0.3 MPa），滑動剪切會引起材料的嚴重彈性形變，摩擦對偶與材料表面接觸充分，使界面摩擦系數(shù)較大（μ~0.37）。在維持材料表層水化狀態(tài)不變的條件下，對該材料進行加熱致使承載層凝膠發(fā)生相分離進而變硬（模量：~120 MPa），可大幅度抑制滑動剪切過程中材料的變形，導致摩擦對偶與材料表面接觸面積減小，摩擦系數(shù)顯著降低（μ~0.027）（圖2a）。

　　理論模擬結(jié)果表明，顯著的潤滑轉(zhuǎn)變行為歸因于模量動態(tài)轉(zhuǎn)變的自適應接觸演化機制（圖2b）。這種基于接觸形態(tài)的潤滑調(diào)控行為具有響應快、可逆性好及寬范圍載荷耐受性特點（圖2c-d）。基于此，科研人員開發(fā)出智能潤滑型水凝膠子彈和功能貼片，有望用于工程沖擊穿刺和移動裝備制動等領(lǐng)域（圖3、4）。

　　該研究對于認識接觸與摩擦、潤滑行為的科學關(guān)系，發(fā)展高性能水潤滑涂層，開發(fā)仿生智能潤滑系統(tǒng)和軟體機器人具有重要意義。相關(guān)研究成果以Modulus adaptive lubricating prototype inspired by instant muscle hardening mechanism of catfish skin為題，發(fā)表在Nature Communications上。研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）培育項目、國家自然科學基金重點項目、中科院青年創(chuàng)新促進會、蘭州化物所“十四五”規(guī)劃重點培育項目等的支持。

圖1.MALH智能潤滑材料的仿生學設(shè)計過程

圖2.MALH智能潤滑材料的響應性潤滑調(diào)控行為

圖3.MALH智能潤滑子彈的穿刺行為

　　圖4.基于可操控機械臂來驗證MASLD智能潤滑貼片的潤滑調(diào)控行為