科研進(jìn)展
蘭州化物所界面接觸與潤滑調(diào)控機(jī)制研究取得新進(jìn)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，這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)的摩擦力主要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(yīng)（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(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點實驗室周峰研究員團(tuán)隊，報道了一種新型模量自適應(yīng)潤滑水凝膠材料。
圖1. MALH智能潤滑材料的仿生學(xué)設(shè)計過程
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(yán)重彈性形變，摩擦對偶與材料表面接觸充分，使得界面摩擦系數(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(jìn)行加熱致使承載層凝膠發(fā)生相分離進(jìn)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，從而導(dǎo)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)果也表明，這種顯著的潤滑轉(zhuǎn)變行為主要歸因于模量動態(tài)轉(zhuǎn)變的自適應(yīng)接觸演化機(jī)制（圖2b）。這種基于接觸形態(tài)的潤滑調(diào)控行為具有響應(yīng)快、可逆性好以及寬范圍載荷耐受性特點（圖2c-d）?；诖?，研究人員開發(fā)了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-圖4）。
圖2. MALH智能潤滑材料的響應(yīng)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(jī)械臂來驗證MASLD智能潤滑貼片的潤滑調(diào)控行為
該研究對認(rèn)識接觸與摩擦、潤滑行為的科學(xué)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(jī)器人具有重要意義。
該研究工作以“Modulus adaptive lubricating prototype inspired by instant muscle hardening mechanism of catfish skin” 為題發(fā)表在Nature Communications上，中國科學(xué)院大學(xué)張云雷博士生為論文第一作者，蘭州化物所周峰研究員和麻拴紅副研究員為通訊作者。
以上研究工作得到了中科院先導(dǎo)B培育項目、國家自然科學(xué)基金重點項目、中科院青促會人才項目、蘭州化物所“十四五”規(guī)劃重點培育項目等的支持。
