【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】聚合物水潤滑材料在工程和醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，服役過程中機械變形、失水及潤滑介質(zhì)中力學失穩(wěn)等問題突出，高承載和長效潤滑減摩統(tǒng)一頗具挑戰(zhàn)。
 

　　中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料全國重點實驗室周峰研究員和麻拴紅研究員團隊，受自然界蚯蚓持續(xù)潤滑機制啟發(fā)，開發(fā)了一種基于微量潤滑劑的聚合物凝膠超潤滑材料。
 

　　研究人員通過結(jié)合表面可控化學刻蝕、原位褶皺化、激光微加工以及平衡溶脹閉孔等策略，實現(xiàn)了仿生多級結(jié)構(gòu)化超潤滑聚合物凝膠材料的制備。該材料能夠在高接觸壓力工況下(P: 11.32 MPa)展現(xiàn)出超低摩擦系數(shù)(COF:~0.0079)、穩(wěn)定持久的超潤滑壽命(COF:~0.0028,P:8.48 MPa,100k cycles)(圖1)，且無表面磨損，這是迄今為止聚合物凝膠基超潤滑材料在宏觀尺度所報道的最高承載能力。特別是，在準濕態(tài)測試工況下，該材料能夠在有限潤滑劑 (5 μL)供給下，實現(xiàn)可觀的持續(xù)潤滑 (周期:3700 cycles)。
 

圖1. 仿生多級結(jié)構(gòu)化超潤滑聚合物凝膠材料設(shè)計與性能評價
 

　　研究表明其堅固/持久的超潤滑行為主要歸因于滑動界面水合效應(yīng)、靜電排斥、潤滑層/承載相的力學匹配以及摩擦過程中潤滑劑的自泵送特征。研究人員通過自主搭建載荷摩擦機械驅(qū)動測試系統(tǒng)，直觀展示了該材料機械堅固與持續(xù)可靠的超潤滑行為。該研究為研制水基超潤滑運動部件和醫(yī)療設(shè)備提供了理論指導(dǎo)。相關(guān)研究成果以“Earthworm inspired lubricant self-pumping hydrogel with sustained lubricity at high loading”為題發(fā)表在Nature出版社旗下期刊Nature Communications(2025,16:398)上。
 

　　在解決聚合物凝膠材料超高承載和機械魯棒性超潤滑難點基礎(chǔ)之上，研究人員將關(guān)注點轉(zhuǎn)移到解決材料在苛刻鹽離子介質(zhì)中的長效力學穩(wěn)定性難題。盡管已報道的大多數(shù)聚合物凝膠材料能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的承載與減摩功能，但其在復(fù)雜離子介質(zhì)中普遍存在溶脹和力學失效問題，摩擦學評價往往以去離子水為潤滑介質(zhì)，這明顯與聚合物材料的實際應(yīng)用工況不符(海水或生理介質(zhì))，使得相關(guān)材料的開發(fā)僅僅停留在概念和模型水平。
 

圖2. 抗溶脹超潤滑聚合物凝膠涂層設(shè)計與鈦合金表面制造
 

　　近日，針對傳統(tǒng)高分子凝膠材料鹽析力學強化策略中的關(guān)鍵缺點，即鹽析結(jié)晶區(qū)域在離子溶液中發(fā)生可逆解析，使得力學失穩(wěn)。研究人員以聚乙烯醇(PVA)為原材料，通過退火結(jié)合靜電交聯(lián)晶域-原位鹽析、表面水合與網(wǎng)絡(luò)互穿-基底限域的摩擦裂紋鈍化策略，制造出具有超強抗溶脹性和機械魯棒性的聚合物超潤滑凝膠材料(圖2)。得益于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)靜電交聯(lián)穩(wěn)定的結(jié)晶域，制備的聚合物凝膠材料顯示出超高的疲勞閾值(843.0 J/m2)；在磷酸鹽緩沖溶液中浸泡460天后質(zhì)量溶脹率極低(小于2%)、力學穩(wěn)定性超強；在高接觸應(yīng)力(2.8 MPa)下經(jīng)過100k次滑動摩擦循環(huán)后，摩擦系數(shù)仍保持極低水平(~0.0084)。特別是，在使用微米級別粗糙度的不銹鋼對偶摩擦過程中，聚合物凝膠材料仍然展現(xiàn)出了優(yōu)異的減摩和抗磨性能。主要原因是表面水合潤滑機制和網(wǎng)絡(luò)互穿層的應(yīng)力離域效應(yīng)能夠有效降低接觸面剪切應(yīng)力，基底交聯(lián)的結(jié)晶區(qū)承載的同時也能夠鈍化裂紋，進一步抑制基底層摩擦裂紋擴展，從而確保材料超長的服役周期。動物植入試驗表明，該聚合物凝膠材料具有優(yōu)異的生物安全性，可作為堅固的水潤滑涂層成功制造在不同材質(zhì)關(guān)節(jié)器械(例如鈦合金、不銹鋼)表面，實現(xiàn)高效的潤滑減摩改性，為新一代自潤滑器械的研制提供重要材料保障。相關(guān)研究成果于2025年7月24日以“Superior Anti-swelling and Durably Lubricious Bio-hydrogels via Robust Crystalline Domains Construction for Diverse Biodevice Coating”為題發(fā)表在Cell出版社旗下期刊Matter上。
 

　　以上研究工作得到了中國科學院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(B類)、國家自然科學基金等項目的資助，以及南昌大學、解放軍總醫(yī)院等單位的合作幫助。