在人體關(guān)節(jié)中，軟骨依托多尺度膠原網(wǎng)絡(luò)、多相組分及其界面的協(xié)同作用，構(gòu)建出兼具高承載與超低摩擦的天然潤(rùn)滑系統(tǒng)。基于這一特性，水凝膠作為有潛力的人工軟骨替代材料備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)潤(rùn)滑水凝膠往往因結(jié)構(gòu)均一性而陷入兩難境地，提高整體網(wǎng)絡(luò)致密度雖能增強(qiáng)力學(xué)性能，卻會(huì)削弱表面水合與潤(rùn)滑能力；單純追求低摩擦，又會(huì)使材料在高載荷下迅速變形、蠕變甚至失效。這種長(zhǎng)期存在的性能權(quán)衡，嚴(yán)重制約了水凝膠在高載荷、長(zhǎng)壽命潤(rùn)滑場(chǎng)景中的實(shí)際應(yīng)用。

近日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤(rùn)滑材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室材料表面與界面課題組周峰研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的材料設(shè)計(jì)思路，通過(guò)“選擇性破壞雙連續(xù)微相限域”，在同一材料中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌承載骨架與超潤(rùn)滑界面的協(xié)同統(tǒng)一。

圖1.(a) 具有雙連續(xù)承載相和潤(rùn)滑相的強(qiáng)韌潤(rùn)滑水凝膠（^BiGel-CB）系統(tǒng)示意圖。(b) 水凝膠系統(tǒng)內(nèi)聚合物鏈段間的相互作用及限域破壞過(guò)程示意圖。(c) 凝膠系統(tǒng)的承載與潤(rùn)滑機(jī)制。(d) 本研究水凝膠與其他已報(bào)道潤(rùn)滑水凝膠的楊氏模量與摩擦系數(shù)對(duì)比圖。

研究團(tuán)隊(duì)以甲基丙烯酸（MAA）和甲基丙烯酰胺（MAAm）為模型單體，采用溶劑交換誘導(dǎo)微相分離的策略，成功構(gòu)建出一種具有雙連續(xù)微相限域結(jié)構(gòu)的共聚物水凝膠（^BiGel）。在該結(jié)構(gòu)中，親水相與疏水相在納米尺度上相互貫穿、彼此限域，形成大量連續(xù)且高度互聯(lián)的微相界面。這種渝滲的雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，為材料提供了高效的應(yīng)力傳遞與能量耗散通道，使水凝膠在外加載荷下能夠顯著抑制形變、鈍化裂紋擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該水凝膠的彈性模量高達(dá)約 417 MPa，遠(yuǎn)高于絕大多數(shù)已報(bào)道的潤(rùn)滑水凝膠體系。

在保證整體強(qiáng)度的同時(shí)，研究人員進(jìn)一步對(duì)水凝膠表面進(jìn)行堿性 PBS 溶液處理，選擇性地破壞表層微相限域結(jié)構(gòu)。這一過(guò)程解離了凝膠的氫鍵締合網(wǎng)絡(luò)，破壞了親疏水微相界面，釋放出原本被限域的親水聚合物鏈，使其在表面形成一層高度水合、類(lèi)似刷狀的潤(rùn)滑層（^BiGel-CB）。

圖2. (a) 通過(guò)溶劑交換策略制備結(jié)構(gòu)可調(diào)線性共聚物水凝膠網(wǎng)絡(luò)的示意圖。(b) 不同MAAm含量（摩爾分?jǐn)?shù)）水凝膠的宏觀光學(xué)照片。(c) 不同水凝膠的掃描電鏡圖像。(d)^BiGel和^IsoGel的原子力顯微鏡高度圖與相圖。(e) 表面限域破壞處理形成潤(rùn)滑層的示意圖。(f)?^BiGel-CB截面掃描電鏡圖像，顯示梯度結(jié)構(gòu)。(g)?^BiGel、^IsoGel及其限域破壞后樣品表面的ATR-FTIR光譜。(h) 不同水凝膠的LF-NMR T?弛豫時(shí)間分布。

圖3. (a) 不同水凝膠的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) 楊氏模量和韌性與MAAm含量的關(guān)系。(c) 表面納米壓痕測(cè)試曲線。(d) 抗蠕變性能測(cè)試示意圖及(e)蠕變曲線。(f) 純剪切測(cè)試示意圖及(g)斷裂能結(jié)果。(h) 水滴在^BiGel-CB和^IsoGel-CB表面的動(dòng)態(tài)鋪展過(guò)程。(i)?超親水及水下超疏油性能評(píng)估。

該潤(rùn)滑層通過(guò)強(qiáng)水合作用與熵排斥力的協(xié)同機(jī)制，顯著降低界面剪切應(yīng)力，使材料在水潤(rùn)滑條件下實(shí)現(xiàn)了低至約 0.0029 的摩擦系數(shù)，達(dá)到典型的“超潤(rùn)滑”水平。雙連續(xù)的微相限域破壞能夠產(chǎn)生更加均勻的水合層，增強(qiáng)潤(rùn)滑效果。孤島狀的微相限域破壞導(dǎo)致水合層存在大量疏水缺陷，抑制潤(rùn)滑效果。

圖4.(a)?^BiGel-CB和(b)?^IsoGel-CB的潤(rùn)滑機(jī)制示意圖。(c, d)?^BiGel-CB和^IsoGel-CB的Stribeck曲線及相應(yīng)水合高度變化。(e, f) 在邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下，摩擦系數(shù)隨載荷的變化。(g, h)?^BiGel-CB和^IsoGel-CB表面的AFM高度圖。(k, l) 利用LFM測(cè)得的側(cè)向力-法向力曲線及計(jì)算得出的微觀摩擦系數(shù)。

更具突破性的是，該水凝膠體系在長(zhǎng)期摩擦過(guò)程中展現(xiàn)出自再生潤(rùn)滑能力。研究發(fā)現(xiàn)，摩擦磨損本身會(huì)誘導(dǎo)界面發(fā)生動(dòng)態(tài)解離平衡，持續(xù)暴露新的親水鏈段，從而持續(xù)補(bǔ)充潤(rùn)滑界面。在 50 N 高載荷、10 萬(wàn)次摩擦循環(huán)后，該材料的摩擦系數(shù)仍維持在約 0.0034，幾乎無(wú)性能衰減。與此同時(shí)，雙連續(xù)微相結(jié)構(gòu)耦合表面潤(rùn)滑層還能有效鈍化摩擦裂紋、分散應(yīng)力集中，顯著提升耐磨壽命。

圖5.(a) 摩擦測(cè)試示意圖及^BiGel、^BiGel-CB和^IsoGel-CB對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)曲線。(b)?^BiGel-CB和^IsoGel-CB摩擦系數(shù)隨載荷的變化。(c) PMAA-CB、^BiGel-CB、PMAAm-CB和^IsoGel-CB樣品的平均摩擦系數(shù)。(d) 摩擦裂紋擴(kuò)展示意圖及 i)?^BiGel, ii)?^BiGel-CB, iii)?^IsoGel-CB的裂紋光學(xué)圖像（比例尺：200 μm）。(e)?^BiGel、^BiGel-CB和^IsoGel-CB的界面裂紋擴(kuò)展速率隨載荷的變化。(f)?^BiGel-CB在50 N法向載荷下的長(zhǎng)期潤(rùn)滑性能。(g)?^BiGel-CB在PBS溶液中摩擦測(cè)試前后的表面光學(xué)圖像：i) 摩擦前，ii) 摩擦后，iii) 摩擦邊界（比例尺：200 μm）。

與傳統(tǒng)依賴(lài)共價(jià)交聯(lián)的水凝膠不同，該體系完全基于線性聚合物與氫鍵締合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。這一特性使其在磨損或服役失效后，可在堿性條件下解離為液態(tài)前驅(qū)體，再通過(guò)調(diào)節(jié) pH 值重新凝膠化。由此，材料不僅可以實(shí)現(xiàn)形狀重塑，還可作為潤(rùn)滑涂層反復(fù)使用。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò) 100 次“降解—重建”循環(huán)后，材料仍可保持約 98.5% 的減摩性能，為解決潤(rùn)滑材料報(bào)廢帶來(lái)的資源浪費(fèi)及潛在微塑料污染問(wèn)題，提供了切實(shí)可行的新路徑。

圖6.(a) 魯棒潤(rùn)滑系統(tǒng)的閉環(huán)回收示意圖。(b) 形狀重塑過(guò)程示意圖。(c) 制造的不同形狀水凝膠圖案（銀杏葉、研究所徽章“LICP”、文字“Lubrication”）。(d) 水凝膠涂層與相應(yīng)裸基底摩擦系數(shù)的對(duì)比。(e) 降解-重建循環(huán)過(guò)程中的摩擦系數(shù)曲線及(f)平均摩擦系數(shù)值對(duì)比（以玻璃為基底，“處理次數(shù)”以奇數(shù)次代表涂層、偶數(shù)次代表降解來(lái)表征）。

該研究通過(guò)“選擇性破壞微相限域”這一創(chuàng)新策略，打破了水凝膠材料中機(jī)械強(qiáng)度與界面潤(rùn)滑性能不可兼得的傳統(tǒng)桎梏，首次在同一體系中集成了超高模量、超低摩擦、優(yōu)異耐磨性與閉環(huán)可回收性。

該工作不僅為人工關(guān)節(jié)、軟體機(jī)器人和極端環(huán)境下的潤(rùn)滑需求提供了全新的材料解決方案，也為未來(lái)智能化、可持續(xù)潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了重要理論與技術(shù)范式。相關(guān)研究成果以“Selectively Breaking Bicontinuous Microphase Confinement for Sustainable and Unprecedented Superlubricating Hydrogels”為題，發(fā)表在期刊Advanced Materials上，蘭州化物所戚長(zhǎng)敏博士生為論文第一作者，蔡美榮研究員為通訊作者。

以上研究工作得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（B類(lèi)）、國(guó)家自然科學(xué)基金委等項(xiàng)目的支持。