中科院兰州化物所周峰/麻拴红团队《Nat. Commun.》：界面接触力学与润滑行为的科学诠释 - 仿生自适应润滑调控材料

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软物质湿滑材料在受力剪切条件下通常会发生严重的弹性变形，这不仅对滑动界面实现低摩擦状态不利，而且会引起材料力学疲劳甚至结构破坏，加速磨损的产生。在确保界面高度水化的条件下，如何抵制软物质材料的弹性变形，实现润滑、承载和抗磨的统一，对于认识界面接触力学与润滑行为的科学关系以及开发仿生智能软体机器人具有重要意义。

自然界中，很多生物体的软组织或器官进化出了具有力学模量动态可调控特征的先进机制，可实现界面接触状态的动态转变，以满足运动过程中对不同界面摩擦/润滑量级的需求。以鲶鱼为例，其表面通常展现出湿滑的特性（亲水的天然大分子层），在我们意识里面应该很难抓住它。事实上，在鲶鱼处于平静状态时，我们仍然能够很容易地用手抓住它。然而，一旦鲶鱼发生挣扎，其将很容易从我们手中挣脱掉；此时，我们会感触到鱼皮表面进入了一种硬化和超滑的状态；这主要是因为鲶鱼受到外界刺激时，肌肉系统应激发生了快速硬化，导致手掌和鱼皮表面接触点大幅度减小，摩擦力显著降低。

最近，受鲶鱼肌肉硬化触发的润滑转变行为启发，中科院兰州化学物理研究所周峰/麻拴红团队，报告了一种新型的模量自适应润滑水凝胶材料，该材料由几十微米厚度的表面聚电解质亲水润滑层（模拟鲶鱼湿滑的表皮）和具有热触发相变特征的底部水凝胶承载层（模拟鲶鱼的肌肉单元）组成。科研人员通过球-盘往复滑动摩擦测试方式验证了制备材料的智能润滑调控行为。低温条件下，材料处于软质凝胶态（模量：~0.3 MPa），尽管润滑层处于高度水化状态，滑动剪切仍然会引起材料的严重弹性畸变，此时摩擦对偶与材料表面接触充分，使得界面摩擦系数较大（μ~0.37）。进一步，在维持材料表层水化状态不变的条件下，对材料进行加热，发现承载层凝胶快速发生相分离进而瞬间变硬（模量：~120 MPa），大幅度抑制了滑动剪切过程中材料的变形，此时摩擦对偶与材料表面接触点减小，摩擦系数显著降低（μ~0.027）。

图1. 软质凝胶态（左）和硬质玻璃态（右）下界面接触力学行为

通过对滑动界面原位加热和冷却，可以实现摩擦系数的动态可逆调控，且这种可切换的润滑行为在宽载荷范围内始终是有效的；特别是，研究人员发现随着法向载荷的增大，这种典型的润滑调控行为更加的明显，界面最大接触应力甚至可达~7 MPa。理论模拟结果表明这种显著的润滑转变行为主要归因于以模量动态演变为主的自适应接触机制，可通过结合接触态演化、非变形耗散和分子链机械俘获3大机制得到很好解释。作为这种智能材料的概念验证，研究人员开发了智能型水凝胶子弹进行固体穿刺测试，冲击试验结果表明相变硬化的水凝胶子弹（同软态凝胶子弹对比）其穿透力更强，这得益于低摩擦状态下界面较小的运动阻力。最终，研究人员通过结合界面湿黏附化学发展了一种智能润滑贴片，并通过程序化机械手臂精确测量了这种智能贴片表面摩擦状态的转变信号；成功将该贴片组装于运动模型装备（如坦克履带、潜水艇）表面，实现了基于界面润滑转变行为的运动行为智能控制。

图2. MALH智能润滑材料的仿生学设计过程

图3. MALH智能润滑材料的制备过程和界面润滑调控机制

图4. MALH智能润滑材料力学的热致调控

图5. MALH智能润滑材料的响应性润滑调控行为

图6. MALH智能子弹的穿刺行为

图7. MASLD智能润滑贴片的制备及其在可移动装备上的应用

相关论文以题为“Modulus adaptive lubricating prototype inspired by instant muscle hardening mechanism of catfish skin”发表在《Nature Communications》上。论文第一作者是中国科学院大学张云雷博士生， 通讯作者是中国科学院兰州化学物理研究所麻拴红副研究员和周峰研究员。该研究成果对于认识界面接触力学与润滑行为之间的相关关系具有重要科学意义，相关材料在智能运动设备和软机器人领域展现出了重要潜在应用。

以上研究工作得到了中科院先导B培育项目、国家自然科学基金重点项目、中科院青促会人才项目、兰州化物所“十四五”规划重点培育项目等的支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28038-9

作者简介:

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周峰，研究员，博士研究生导师，国家杰出青年基金获得者。中科院兰州化学物理研究所副所长，固体润滑国家重点实验室主任，中国化学会仿生材料化学分会副主任委员，中国机械工程学会摩擦学分会副主任委员、润滑材料与摩擦化学专业委员会主任委员。主要从事表面湿黏滑、海洋防污、减阻降噪、生物润滑、高性能润滑剂和工程装备用减摩抗磨材料相关的基础研究和高端应用技术研发工作。研究工作在Sc. Adv.、Nat.Comm.、Matter.、Chem. Soc. Rev.、JACS、Adv. Mater.、Angew等共发表SCI论文400多篇，共被引用23000多次，h因子85。合作编著《纳米润滑材料与技术》（周峰，王晓波，刘维民，科学出版社），编著《Antifouling Surfaces and Materials：from Land to Marine Environment》(Springer)，获得授权发明专利70余件，《摩擦学学报》、《化学通报》、《润滑与密封》、《J.Fiber Bioeng. Inform.》、《Trib. Inter.》杂志编委。曾获省部级奖励多项，国家高层次领军人才、国家自然科学二等奖（2015，排名第一），首届中国优秀青年科技人才奖（2016年），何梁何利科学与技术青年创新奖（2017年），全国创新争先奖（2020）。

麻拴红，副研究员，硕士研究生导师，中国机械工程学会高级会员，甘肃省杰出青年基金获得者。2016年6月从中国科学院兰州化学物理研究所获博士学位，师从周峰研究员和兰州大学梁永民教授，同年留固体润滑实验室工作。目前从事表面润滑改性、高性能水润滑材料制备及其性能调控相关的应用基础研究工作，以及生物润滑剂和医疗器械用润滑涂层技术相关的产品研发工作。以第一作者和通讯作者在Matter., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater等期刊上发表论文40余篇；获得授权专利13件；参与撰写多个专著章节。2017年入选中国科协“青年人才托举工程”计划；2018年入选科技部重点领域（机械摩擦表面/界面+高端装备用润滑材料）创新团队成员；2019成为中国科学院青年创新促进会会员。现任《Chinese Chemical Letters》期刊青年编委，国际仿生工程学会青年委员。承担国家自然科学基金面上项目、重点项目子课题、JWKJW基础加强项目子课题等纵向项目以及企业横向技术研发项目等。

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