在生物體內(nèi)，關(guān)節(jié)軟骨憑借其多尺度膠原結(jié)構(gòu)、多相組分及界面的協(xié)同作用，構(gòu)成了高效的自然潤(rùn)滑系統(tǒng)。受此啟發(fā)，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：增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度通常會(huì)犧牲表面水合與潤(rùn)滑性能，而優(yōu)化潤(rùn)滑又常導(dǎo)致材料承壓變形、迅速失效。如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)卓越的承載能力與超低的界面摩擦，成為該領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

針對(duì)這一難題，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所蔡美榮研究員、Zhang Yunlei博士合作，通過選擇性破壞水凝膠表面的雙連續(xù)微相限域，開發(fā)出一種兼具優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度與超低摩擦系數(shù)的可持續(xù)超潤(rùn)滑水凝膠。該水凝膠的雙連續(xù)基質(zhì)作為承載體，利用其貫穿的親水/疏水微相界面耗散能量，展現(xiàn)出高達(dá)約417 MPa的彈性模量。而被破壞的微相則在表面形成類似刷狀的潤(rùn)滑層，通過強(qiáng)水合作用與熵斥力，實(shí)現(xiàn)了低至約0.0029的摩擦系數(shù)。該結(jié)構(gòu)不僅能有效降低剪切應(yīng)力、鈍化摩擦裂紋以提升耐磨性，其貫穿的親水相還能通過自再生機(jī)制維持可持續(xù)潤(rùn)滑。更引人注目的是，該系統(tǒng)展示了閉環(huán)回收能力，重復(fù)使用100次后仍能保持98.5%的減摩性能，為極端條件下可持續(xù)潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了創(chuàng)新解決方案。相關(guān)論文以“Selectively Breaking Bicontinuous Microphase Confinement for Sustainable and Unprecedented Superlubricating Hydrogels”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

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，通過溶劑交換策略誘導(dǎo)微相分離，成功構(gòu)建了具有雙連續(xù)結(jié)構(gòu)的P(MAA-co-MAAm)水凝膠（簡(jiǎn)稱BiGel）。這種結(jié)構(gòu)在納米尺度上實(shí)現(xiàn)了親水與疏水相的相互貫穿與限域，是材料高強(qiáng)度的基礎(chǔ)。相比之下，直接在水溶液中聚合得到的樣品（IsoGel）則形成孤島狀的相分離結(jié)構(gòu)，界面減少，力學(xué)性能受限。掃描電鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）等表征手段清晰揭示了這兩種凝膠在微納尺度上的結(jié)構(gòu)差異：BiGel呈現(xiàn)均勻的雙連續(xù)形貌，而IsoGel則顯示出明顯的微米級(jí)孤島域。

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（阿什比圖）。

圖2 | (a) 通過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-i) 不同MAAm含量（摩爾分?jǐn)?shù)）水凝膠的宏觀照片及其對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)示意圖。(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。

為實(shí)現(xiàn)表面超潤(rùn)滑，研究人員用堿性PBS溶液（pH=7.4）處理BiGel表面，解離羧基間的氫鍵關(guān)聯(lián)，打破了微相限域，釋放出被約束的聚合物鏈，從而在表面形成了一層高度水合、疏松多孔的潤(rùn)滑層（BiGel-CB）。紅外光譜（ATR-FTIR）和低場(chǎng)核磁共振（LF-NMR）分析證實(shí)，經(jīng)過限域破壞處理后，BiGel-CB表面形成了更強(qiáng)、更均勻的水合層。力學(xué)性能測(cè)試表明，得益于雙連續(xù)微相界面的強(qiáng)限域與耗散作用，BiGel-CB展現(xiàn)出卓越的綜合性能：彈性模量約417 MPa，斷裂應(yīng)力約11 MPa，韌性約24 MJ/m3，抗蠕變和抗斷裂能力均遠(yuǎn)優(yōu)于孤島結(jié)構(gòu)的IsoGel-CB。納米壓痕測(cè)試則顯示其表面模量更低，說明表面解離更完全、更均勻。

圖3 | (a) 不同水凝膠的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) 楊氏模量與MAAm含量的關(guān)系。(c) 表面納米壓痕模量。(d) 抗蠕變性能測(cè)試示意圖及(e)在100 N載荷下持續(xù)1800秒的蠕變曲線。(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)鋪展過程。(i) BiGel-CB的水下超疏油性能。

潤(rùn)滑性能評(píng)估揭示了其超低摩擦的機(jī)制。Stribeck曲線顯示，BiGel-CB在整個(gè)速度范圍內(nèi)均表現(xiàn)出比IsoGel-CB更低的摩擦系數(shù)。在邊界潤(rùn)滑區(qū)域，?1Gel-CB的摩擦系數(shù)比IsoGel-CB低約一個(gè)數(shù)量級(jí)。原子力顯微鏡（AFM）和側(cè)向力顯微鏡（LFM）在納米尺度上證實(shí)，BiGel-CB表面因雙連續(xù)結(jié)構(gòu)的貫穿性，解離后能完全釋放親水鏈，形成均勻光滑的形態(tài)；而IsoGel-CB表面則殘留大量疏水團(tuán)簇，導(dǎo)致水合層不連續(xù)，摩擦較高。往復(fù)摩擦測(cè)試進(jìn)一步證明了BiGel-CB在較寬載荷范圍內(nèi)（1-20 N）均能保持穩(wěn)定超潤(rùn)滑，并展現(xiàn)出優(yōu)異的抗裂紋擴(kuò)展能力。

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（滑動(dòng)速度0.628 mm/s），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)。

長(zhǎng)期耐磨測(cè)試結(jié)果令人印象深刻。在50 N高載荷下進(jìn)行10萬(wàn)次摩擦循環(huán)，BiGel-CB的平均摩擦系數(shù)仍穩(wěn)定在約0.0034。研究發(fā)現(xiàn)，摩擦磨損過程本身能夠誘導(dǎo)界面動(dòng)態(tài)解離平衡，暴露出新的親水鏈，從而實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑層的持續(xù)自再生。光學(xué)顯微鏡觀察到摩擦后表面出現(xiàn)了更細(xì)密的水合褶皺，直觀證明了這一再生過程。

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（接觸應(yīng)力約0.9 MPa，頻率1 Hz）。(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）。

該水凝膠系統(tǒng)另一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)是其閉環(huán)可回收性?；诰€性聚合物、氫鍵關(guān)聯(lián)和微相分離結(jié)構(gòu)，磨損后的凝膠可在堿性條件下完全解離為液態(tài)前驅(qū)體，再通過調(diào)節(jié)pH值重新凝膠化，并可重塑成復(fù)雜形狀或涂覆于各種基底上作為潤(rùn)滑涂層。經(jīng)過100次這樣的降解-重建循環(huán)，材料仍能保持約98.5%的減摩性能，為解決傳統(tǒng)水凝膠材料磨損廢棄導(dǎo)致的浪費(fèi)和潛在微塑料污染問題提供了新思路。

圖6 | (a) 強(qiáng)韌潤(rùn)滑系統(tǒng)的閉環(huán)回收示意圖。(b) 形狀重塑過程示意圖。(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）。

這項(xiàng)研究成功打破了水凝膠機(jī)械強(qiáng)度與界面潤(rùn)滑性能不可兼得的傳統(tǒng)桎梏。通過“選擇性破壞微相限域”策略，創(chuàng)造性地構(gòu)建出同時(shí)具備超高模量、超低摩擦、優(yōu)異耐磨性和閉環(huán)可回收性的新一代潤(rùn)滑水凝膠。該系統(tǒng)融合了機(jī)械強(qiáng)韌、自適應(yīng)潤(rùn)滑與可持續(xù)性，為軟體機(jī)器人、人工關(guān)節(jié)及極端環(huán)境應(yīng)用中的下一代智能潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了全新的范式。