兰州化物所NatCom：模量还可调整？一种生物启发的润滑水凝胶
第一作者：YunleiZhang
通讯作者：周峰
通讯单位：兰州化物所
背景介绍
自然界中，生物通过不断进化来适应复杂多变的生存环境，这种可调的兼容性极大地启发了人工智能材料的设计。例如，结合生物机械自适应接触和界面接触模式的独特策略，对于在运动过程中实现良好的摩擦/润滑性能起着重要作用。具体而言，生物体的关节系统可在复杂的动态加载/卸载过程中实现润滑性能，这主要是由于软骨组织的机械自适应性和其表面的高度水化。基于这种独特的性质，研究人员设计了像超分子，水凝胶等人工响应材料系统，可通过调控其界面作用达到理想的摩擦力。然而，这些系统通常依赖于界面分子状态的改变和水化程度，并没有考虑可调接触状态对摩擦的影响。此外，这类材料较差的机械韧性导致其摩擦力的可调范围较窄。实际上，材料表面的机械性能同样影响界面接触状态，因此可用于调控摩擦力的大小。然而，材料固有的力学性质一旦成形后就很难直接改变。因此，构建智能化摩擦/润滑材料系统，实现自适应性的界面接触性能仍是一个极大的挑战。本文亮点
1.该工作基于鲶鱼表面独特的粘液水化和自适应的肌肉模量耦合作用，设计了一种热激发模量可调的智能润滑水凝胶（MALH）。
2.该水凝胶可实现倍的模量改变，从0.3MPa，20℃到MPa，80℃，摩擦系数从0.37到0.。
图文解析
要点：
1.该工作主要受鲶鱼体表启发，当鲶鱼体表拥有较多粘液的时候，很难抓紧它，但不可否认的是，当它冷静下来的时候，可轻易的抓住它，但当它开始挣扎时，又很容易逃脱。（图1a，b）。这主要是由于其表面肌肉模量和粘液含量的共同作用。基于此，该工作设计了一款热激发的，模量自适应的润滑水凝胶（图1c）。
要点：
1.图2a展示了该水凝胶的制备过程，在低温条件下，材料处于柔软状态，摩擦运动时界面接触面积增大，进而使得摩擦力较大，而升温后，材料变硬，使得接触层凝胶发生相分离，极大地降低了界面接触面积，摩擦力较小。
要点：
1.图3主要探究了该水凝胶可调的机械性能，如图3a所示，在不同温度下，材料的模量和硬度有着极大的差别，温度依存的应力应变曲线定量揭示了温度与其强度（模量）的关系（图3b）。
2.此外，该工作还发现ATRPinitiator含量对水凝胶力学性能并无太大影响，但浓度越高，材料聚合程度越低，这不利于样品的制备（图3c，d）。
3.该工作还通过动态力学测量了其硬化温度，为46摄氏度，解释了其玻璃化温度的转变点，同时，也可以发现ATRPinitiator的含量对其并无影响，此外，温度循环测试也证明了其力学的可控可调性。
要点：
1.该水凝胶可控的力学性质使其可实现响应式润滑性能，从图4a可以看出，该水凝胶表面的褶皱是其摩擦力的来源，可实现膨胀后的高水化作用。在表面涂覆一层PSPMA电解质层，可增加其润滑性，图4b为不同反应时间，PSPMA层的厚度变化。进一步的，该工作还探讨了不同沉淀时间对摩擦系数的影响（图4c）。
2.该工作也探究了不同温度下材料展现不同摩擦系数的微观结构（图4d）。
3.为了验证该水凝胶的机械稳定性，该工作测试了其摩擦系数在加载情况下的稳定性（图4g-i）。
要点：
1.为了展示其独特的润滑/摩擦转化特性，该工作还将其制作成一个子弹进行演示，在相同的入射速度下，子弹打入橡皮泥的厚度取决于其摩擦力，由图可知，该水凝胶制的子弹加热到80℃时，打入深度最大，20℃时，打入深度较浅，验证了其模量自适应性和摩擦润滑可转化性。
要点：
1.为了进一步拓展其应用，该工作通过引入PDMS共价交联实现表面较强的粘附力，该复合材料总共有四层结构，如图6a所示，第一层为润滑层，第二层为相转变层，第三层是与PDMS高度交联层，第四层则是与PDMS轻度交联层。由图6b-g可知，该PDMS层具有稳定的粘附性且不会破坏润滑层的可调性和模量自适应性。将该种材料包裹在潜艇表面，粘附层可稳定包裹潜艇，外表面的润滑层则能轻易地从机械手中滑出逃避。
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