中科院蘭州化物所周峰/麻拴紅團隊《Nat. Commun.》：界面接觸力學與潤滑行為的科學詮釋 - 仿生自適應潤滑調控材料
軟物質濕滑材料在受力剪切條件下通常會發生嚴重的彈性變形，這不僅對滑動界面實現低摩擦狀態不利，而且會引起材料力學疲勞甚至結構破壞，加速磨損的產生。在確保界面高度水化的條件下，如何抵制軟物質材料的彈性變形，實現潤滑、承載和抗磨的統一，對于認識界面接觸力學與潤滑行為的科學關系以及開發仿生智能軟體機器人具有重要意義。
自然界中，很多生物體的軟組織或器官進化出了具有力學模量動態可調控特征的先進機制，可實現界面接觸狀態的動態轉變，以滿足運動過程中對不同界面摩擦/潤滑量級的需求。以鯰魚為例，其表面通常展現出濕滑的特性（親水的天然大分子層），在我們意識里面應該很難抓住它。事實上，在鯰魚處于平靜狀態時，我們仍然能夠很容易地用手抓住它。然而，一旦鯰魚發生掙扎，其將很容易從我們手中掙脫掉；此時，我們會感觸到魚皮表面進入了一種硬化和超滑的狀態；這主要是因為鯰魚受到外界刺激時，肌肉系統應激發生了快速硬化，導致手掌和魚皮表面接觸點大幅度減小，摩擦力顯著降低。
最近，受鯰魚肌肉硬化觸發的潤滑轉變行為啟發，中科院蘭州化學物理研究所周峰/麻拴紅團隊，報告了一種新型的模量自適應潤滑水凝膠材料，該材料由幾十微米厚度的表面聚電解質親水潤滑層（模擬鯰魚濕滑的表皮）和具有熱觸發相變特征的底部水凝膠承載層（模擬鯰魚的肌肉單元）組成。科研人員通過球-盤往復滑動摩擦測試方式驗證了制備材料的智能潤滑調控行為。低溫條件下，材料處于軟質凝膠態（模量：~0.3 MPa），盡管潤滑層處于高度水化狀態，滑動剪切仍然會引起材料的嚴重彈性畸變，此時摩擦對偶與材料表面接觸充分，使得界面摩擦系數較大（μ~0.37）。進一步，在維持材料表層水化狀態不變的條件下，對材料進行加熱，發現承載層凝膠快速發生相分離進而瞬間變硬（模量：~120 MPa），大幅度抑制了滑動剪切過程中材料的變形，此時摩擦對偶與材料表面接觸點減小，摩擦系數顯著降低（μ~0.027）。
圖1. 軟質凝膠態（左）和硬質玻璃態（右）下界面接觸力學行為
通過對滑動界面原位加熱和冷卻，可以實現摩擦系數的動態可逆調控，且這種可切換的潤滑行為在寬載荷范圍內始終是有效的；特別是，研究人員發現隨著法向載荷的增大，這種典型的潤滑調控行為更加的明顯，界面最大接觸應力甚至可達~7 MPa。理論模擬結果表明這種顯著的潤滑轉變行為主要歸因于以模量動態演變為主的自適應接觸機制，可通過結合接觸態演化、非變形耗散和分子鏈機械俘獲3大機制得到很好解釋。作為這種智能材料的概念驗證，研究人員開發了智能型水凝膠子 彈進行固體穿刺測試，沖擊試驗結果表明相變硬化的水凝膠子 彈（同軟態凝膠子 彈對比）其穿透力更強，這得益于低摩擦狀態下界面較小的運動阻力。最終，研究人員通過結合界面濕黏附化學發展了一種智能潤滑貼片，并通過程序化機械手臂精確測量了這種智能貼片表面摩擦狀態的轉變信號；成功將該貼片組裝于運動模型裝備（如坦克履帶、潛水艇）表面，實現了基于界面潤滑轉變行為的運動行為智能控制。
圖2. MALH智能潤滑材料的仿生學設計過程
圖3. MALH智能潤滑材料的制備過程和界面潤滑調控機制
圖4. MALH智能潤滑材料力學的熱致調控
圖5. MALH智能潤滑材料的響應性潤滑調控行為
圖6. MALH智能子 彈的穿刺行為
圖7. MASLD智能潤滑貼片的制備及其在可移動裝備上的應用
相關論文以題為“Modulus adaptive lubricating prototype inspired by instant muscle hardening mechanism of catfish skin”發表在《Nature Communications》上。論文第一作者是中國科學院大學張云雷博士生， 通訊作者是中國科學院蘭州化學物理研究所麻拴紅副研究員和周峰研究員。該研究成果對于認識界面接觸力學與潤滑行為之間的相關關系具有重要科學意義，相關材料在智能運動設備和軟機器人領域展現出了重要潛在應用。
以上研究工作得到了中科院先導B培育項目、國家自然科學基金重點項目、中科院青促會人才項目、蘭州化物所“十四五”規劃重點培育項目等的支持。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28038-9
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