使役環(huán)境中潤濕和接觸的動態(tài)演變規(guī)律是固、液、氣多相界面中摩擦與黏附的核心科學(xué)問題，其中，跨尺度接觸是連接微觀和宏觀的橋梁。然而，由于缺乏不同尺度接觸精確可控的材料體系和標(biāo)準(zhǔn)的測試方法，長期以來介觀尺度接觸的主要影響因素、微觀尺度對介觀尺度接觸的影響規(guī)律、微觀和介觀尺度接觸耦合協(xié)同對宏觀性能的影響等基本科學(xué)問題依然未知。 

　　近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周峰研究員團(tuán)隊(duì)，自主設(shè)計(jì)研發(fā)了一臺動態(tài)多尺度接觸高分辨光學(xué)觀測平臺裝置，將其與動態(tài)加載系統(tǒng)連用，實(shí)現(xiàn)了固-固界面真實(shí)接觸的實(shí)時(shí)采集。基于多尺度接觸的標(biāo)準(zhǔn)化測試手段，提出了動態(tài)多尺度接觸耦合調(diào)控設(shè)計(jì)方法，發(fā)展了一種大跨度可逆“黏-滑”調(diào)控的智能水凝膠材料（DMCS-水凝膠），實(shí)現(xiàn)了“黏”與“滑”之間的相互切換。

圖1 界面動態(tài)接觸行為采集裝置

　　該工作的主要機(jī)理是在分子尺度，基于水凝膠表面的去水化和水化導(dǎo)致的黏附分子的暴露和屏蔽，繼而影響微觀尺度的界面相互作用；在介觀尺度，基于表面粗糙度和模量的可逆變化，進(jìn)一步影響介觀尺度的界面真實(shí)接觸和接觸速率。 

圖2 黏-滑調(diào)控水凝膠材料的設(shè)計(jì)理念

　　在低于臨界轉(zhuǎn)變溫度（LCST）時(shí)，凝膠中的PNIPAAm片段極易與水分子形成分子間氫鍵，這時(shí)凝膠表面干燥且充斥著空氣，疏水的碳鏈骨架和鄰苯二酚等官能基團(tuán)傾向暴露于表面，從而增加了界面微觀尺度接觸。此外，凝膠在低溫條件下的低模量和低粗糙度增加了介觀尺度接觸，微觀和介觀尺度接觸耦合致使整個表面最終呈現(xiàn)黏附態(tài)。而當(dāng)溫度高于LCST時(shí)，分子間氫鍵被破壞，水分子潤濕凝膠表面導(dǎo)致羧基官能團(tuán)向表面遷移，使其表面自由能最小化，這一過程破壞了鄰苯二酚基團(tuán)與基底表面的相互作用，減小了微觀尺度接觸，且遷移到表面的羧酸官能團(tuán)結(jié)合了大量水分子形成潤滑層。此外，表面模量和粗糙度也隨著溫度的增加而增加，進(jìn)一步減少了介觀尺度接觸。微觀尺度的界面相互作用屏蔽和介觀尺度的表面粗糙化/高模量致使整個凝膠表面呈現(xiàn)潤滑態(tài)。更重要的是，這種潤滑和黏附態(tài)能隨著溫度變化而自由切換。 

圖3 水凝膠介觀尺度接觸演變規(guī)律

圖4 水凝膠界面的動態(tài)潤濕規(guī)律

圖5 高黏附到濕潤滑的轉(zhuǎn)變

　　DMCS-水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的溫度響應(yīng)性和可逆黏附性能，潤滑和黏附狀態(tài)可自由切換，適用于各種基材，如木材、鐵片、玻璃、硅片和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等。最大黏附開關(guān)比達(dá)240倍，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。 

圖6 水凝膠的可切換黏附特性

　　總而言之，研究人員利用分子構(gòu)象重排、模量調(diào)控和粗糙度變化，建立了基于微觀尺度和介觀尺度協(xié)同作用的動態(tài)多尺度接觸系統(tǒng)，發(fā)展了一種可逆、動態(tài)、快速在黏附和潤滑狀態(tài)之間切換的智能表面構(gòu)筑方法。該多尺度黏附機(jī)制對智能黏附材料的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。 

　 相關(guān)研究成果以“Design of large-span stick-slip freely switchable hydrogels via dynamic multiscale contact synergy”為題發(fā)表在Nature Communications（10.1038/s41467-022-34816-2）上。蘭州化物所張芝芝博士生為論文第一作者，周峰研究員和馬延飛助理研究員為通訊作者。 

　　以上工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和山東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)研究等項(xiàng)目的支持。