西安交大楊森教授、秦立果教授《自然·通訊》：高性能多孔PDMS彈性體，鹽水潤滑下摩擦損耗降低超90%

傳統的多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）彈性體，常采用相分離方法制備，但其摩擦學和機械性能往往受限。尤其在腐蝕性環境中，金屬摩擦部件易受損，而非金屬替代材料如PDMS在使用水基潤滑劑時，摩擦系數較高，限制了其應用。現有制備多孔彈性體的方法，如乳液模板法、化學發泡法等，常因表面活性劑和模板引入缺陷與雜質，影響材料性能。如何制備高純度、高性能且性能可調的多孔彈性體，一直是材料領域的挑戰。

近日，西安交通大學楊森教授、秦立果教授和福州大學葛新教授合作，提出了一種利用硼酸鹽驅動異質網絡制備高性能多孔PDMS彈性體的通用方法。該方法無需表面活性劑，利用兩相邊界處的硼酸鹽穩定相分離結構，通過醇解去除不穩定網絡，獲得孔結構和機械性能精確可控的純多孔彈性體。研究發現，在鹽水潤滑下，材料表面會出現反常的“腐蝕-潤滑”現象，使摩擦系數和磨損率分別降低超過95%和90%。同時，通過引入不同的硼酸官能團，可賦予彈性體高達1250%的拉伸率等優異機械性能。該方法適用于多種PDMS體系，為設計用于水潤滑部件和柔性傳感器的純多孔材料提供了新思路。相關論文以“Ultra low-field-emission stretchable electroluminescent devices enabled by a transparent and high-κ dielectric gel”為題，發表在

Nature Communications

研究團隊首先闡釋了這種異質網絡多孔PDMS（HNP-PDMS）的形成機制。如圖1所示，該方法使用了兩種網絡：第一種是由羥基封端PDMS和硼酸形成的動態交聯PDMS（D-PDMS@BA）；第二種是來自Sylgard 184的乙烯基封端PDMS等組分（S-PDMS）。兩種主鏈性質相似的高分子在硼酸鹽驅動下發生相分離。攪拌混合后，在沒有表面活性劑的情況下形成了多重乳液。硼酸鹽被納入網絡以穩定相分離邊界，最終通過醇解去除D-PDMS@BA相，留下純凈的多孔骨架。分子動力學模擬（圖2）證實了兩種聚合物鏈因溶解度參數差異和硼酸酯基團與硅氧烷主鏈的排斥作用而互不相容，從而驅動相分離。通過調控溫度和壓力，可以控制相分離的進程與最終結構。

圖1 | HNP-PDMS的形成及其摩擦學與機械增強示意圖。 A. HNP-PDMS彈性體的制備流程。 B. 異質網絡結構中的分子鏈纏結示意圖。硼酸鹽確保相分離的穩定性；在球形相中有少量第二網絡纏結，而在多孔骨架中有少量第一網絡纏結。 C. 摩擦學與機械增強示意圖。

圖2 | 異質網絡形成與相分離的分子機制。 A. Sylgard 184A + 184B（S-PDMS）與動態交聯PDMS（D-PDMS）@硼酸（BA）液體混合物在0 ns和100 ns的分子動力學模擬快照。 B. D-PDMS@BA鏈與硼原子的均方位移計算結果。 C. 在-0.1 MPa下排除氣泡后的光學圖像。 D. 在125°C和-0.1 MPa下固化的異質網絡PDMS@BA和HNP-PDMS@BA的掃描電鏡圖像（嵌入圖為光學圖像）。 E. S-PDMS與D-PDMS@BA鏈混合體系的分子動力學模擬快照。黃色鏈代表D-PDMS@BA，紫色鏈代表S-PDMS。

為了深入理解材料內部的微觀結構變化，研究人員進行了原位拉伸小角X射線散射分析。如圖3所示，未拉伸時，所有樣品均顯示出微相分離的特征散射。隨著拉伸進行，HNP-PDMS@BA的分子鏈沿拉伸方向排列的取向性最為明顯，這種有序排列有助于提升材料的拉伸強度和剛度。通過Guinier分析計算的回轉半徑表明，移除D-PDMS@BA網絡后，HNP-PDMS@BA的分子鏈更長，這與多乳液預聚態和網絡互穿的假設一致。

圖3 | 原位拉伸SAXS分析。 A. S-PDMS、HN-PDMS@BA和HNP-PDMS@BA在不同拉伸程度（0%、20%、40%、60%、80%）下的二維小角X射線散射圖，顏色由藍到紅表示強度遞增。 B1. 各樣品的Porod曲線。 B2–B4. S-PDMS、HN-PDMS@BA和HNP-PDMS@BA的Guinier曲線分析。 C–E. S-PDMS、HN-PDMS@BA和HNP-PDMS@BA的回轉半徑隨拉伸比的變化擬合曲線。

通過調節固化溫度和壓力，可以精確調控多孔結構的形貌。如圖4所示，升高溫度會使孔隙變得更密集且不規則，因為更快的固化速度破壞了D-PDMS@BA球狀相的半穩定狀態；而增加壓力（從-0.1 MPa到0 MPa）則會壓縮D-PDMS@BA的擴散，導致孔隙變得更小、更稀疏。這種多孔結構不僅具有從微米到納米的跨尺度通道，內部相互貫通，還展現出30-50%的硅油吸收能力，遠高于傳統方法測得的孔隙率，這可能與材料吸油后溶脹有關。

圖4 | HNP-PDMS@BA的形貌與多孔結構。 A. 表面孔形貌調控示意圖。插圖為吸油前后的HNP-PDMS@BA光學圖像。 B. 125°C下不同壓力（-0.1, -0.066, -0.033, 0 MPa）的孔形貌。 C. 125°C、0 MPa下的孔形貌。 D. 多孔表面下層的通道與結構。 E. 吸油率與F. 表面均方根粗糙度隨溫度與壓力的變化圖。

最引人注目的是該材料在鹽水潤滑下展現出的超低摩擦特性。如圖5所示，當以GCr15鋼球作為摩擦副時，HNP-PDMS@BA的摩擦系數在摩擦過程中急劇下降并最終穩定在極低水平（P2-G低至約0.05）。磨損體積和磨損率也降低了90%以上。研究發現，摩擦過程中GCr15鋼球發生電化學腐蝕，產生的含鐵納米簇磨損碎屑被材料表面的孔隙捕獲，同時使材料表面從疏水轉變為親水。親水表面與能儲存液體的多孔結構協同作用，增厚了潤滑水膜，并將邊界潤滑轉變為混合潤滑狀態，從而實現了超低摩擦與磨損。這種自潤滑效應穩定且持久。

圖5 | HNP-PDMS@BA的摩擦學行為。 A. 滑動摩擦試驗示意圖。 B. 分子動力學模擬：10 ns時水與鋼球及疏水/親水表面的相互作用（藍色粒子為水分子，灰色為鐵原子，青色表面模擬疏水或親水表面）。 C. Z方向水密度分布圖。 D. 不同試樣在2 N、4 Hz下的摩擦系數-循環次數曲線。 E. 穩定后的平均摩擦系數。 F. 不同試樣的磨損體積與磨損率。 G. S-PDMS和H. P1經過14400次循環后的三維形貌與二維截面圖。 I. 腐蝕誘導自潤滑機制示意圖。

除了卓越的摩擦學性能，該材料還展現出可定制的優異機械性能。如圖6所示，通過引入不同的硼酸衍生物（如甲基硼酸、苯硼酸等），可以進一步調控材料的力學行為。苯環的引入通過疏水和π-π相互作用，顯著提升了多孔彈性體的韌性。HNP-PDMS@bPdBA彈性體的拉伸模量可達約2 MPa，斷裂強度約5.4 MPa，韌性約8 MJ/m3，拉伸率高達1250%，其性能優于許多傳統方法制備的多孔材料。該方法還被成功應用于Ecoflex硅膠等多種硅基材料，證明了其普適性。此外，基于此多孔結構，通過添加碳纖維，無需額外表面活性劑即可制備出電阻低于1kΩ的柔性導電材料（HNP-PDMS@C），可用于仿生機器人皮膚的觸覺傳感。

圖6 | HNP-PDMS系列的機械性能與潛在應用。 A. 壓縮模量隨溫度的變化（壓力固定為-0.1 MPa）。 B. 壓縮模量隨壓力的變化（溫度固定為125°C）。 C. HNP-PDMS與S-PDMS的紅外光譜對比。 D. 不同HNP-PDMS與傳統方法制備多孔PDMS的斷裂強度對比。 E. 不同材料的韌性對比。圖中分子結構為所用硼酸衍生物。 F. 引入苯環后的分子鏈相互作用示意圖。 G. HNP-PDMS@bPdBA在不同溫壓條件下與P-PDMS@Sugar的應力-拉伸曲線對比。 H. 不同彈性體的應力-拉伸曲線。 I. 六項關鍵參數對比。 J. HNP-PDMS@C與S-PDMS的機械性能對比。 K. 碳纖維在多孔HNP-PDMS貫通孔中的分散狀態。 L. HNP-PDMS@C作為觸覺傳感皮膚在機器人手指中的應用示例。

這項研究深入探索了硼酸鹽驅動異質網絡彈性體的形成過程，并提出了一種設計高性能專用多孔彈性體的通用策略。該方法制備的材料突破了“腐蝕加劇磨損”的傳統認知，在鹽水腐蝕環境下實現了反常的超低摩擦與磨損。通過調控溫度、壓力和交聯位點，可精細調節材料的孔隙結構與連續相網絡交聯度，從而定制其摩擦與機械性能。該方法適用于所有PDMS體系，能夠制備高純度、高性能的多孔材料，為水潤滑機械部件和多功能柔性傳感器的設計帶來了全新的思路。