蘭州化物所AM：新型雙連續微相限域水凝膠實現可持續超潤滑

在生物體內，關節軟骨憑借其多尺度膠原結構、多相組分及界面的協同作用，構成了高效的自然潤滑系統。受此啟發，水凝膠作為有潛力的人工軟骨替代材料備受關注。然而，傳統潤滑水凝膠往往因結構均一性而陷入兩難境地：增強機械強度通常會犧牲表面水合與潤滑性能，而優化潤滑又常導致材料承壓變形、迅速失效。如何同時實現卓越的承載能力與超低的界面摩擦，成為該領域長期存在的關鍵挑戰。

針對這一難題，中國科學院蘭州化學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微相限域，開發出一種兼具優異機械強度與超低摩擦系數的可持續超潤滑水凝膠。該水凝膠的雙連續基質作為承載體，利用其貫穿的親水/疏水微相界面耗散能量，展現出高達約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滑層，通過強水合作用與熵斥力，實現了低至約0.0029的摩擦系數。該結構不僅能有效降低剪切應力、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制維持可持續潤滑。更引人注目的是，該系統展示了閉環回收能力，重復使用100次后仍能保持98.5%的減摩性能，為極端條件下可持續潤滑系統的設計提供了創新解決方案。相關論文以“Selectively Breaking Bicontinuous Microphase Confinement for Sustainable and Unprecedented Superlubricating Hydrogels”為題，發表在

Advanced Materials

研究團隊以甲基丙烯酸（MAA）和甲基丙烯酰胺（MAAm）為模型單體，通過溶劑交換策略誘導微相分離，成功構建了具有雙連續結構的P(MAA-co-MAAm)水凝膠（簡稱BiGel）。這種結構在納米尺度上實現了親水與疏水相的相互貫穿與限域，是材料高強度的基礎。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構，界面減少，力學性能受限。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構差異：BiGel呈現均勻的雙連續形貌，而IsoGel則顯示出明顯的微米級孤島域。

圖1 | (a) 具有雙連續承載相和潤滑相的強韌潤滑水凝膠（BiGel-CB）系統示意圖。(b) 水凝膠系統內聚合物鏈段間的相互作用及限域破壞過程示意圖。(c) 凝膠系統的承載與潤滑機制。(d) 本研究水凝膠與其他已報道潤滑水凝膠的楊氏模量與摩擦系數對比圖（阿什比圖）。

圖2 | (a) 通過溶劑交換策略制備結構可調線性共聚物水凝膠網絡的示意圖。(b-i) 不同MAAm含量（摩爾分數）水凝膠的宏觀照片及其對應結構示意圖。(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滑層的示意圖。(f) BiGel-CB截面掃描電鏡圖像，顯示梯度結構。(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?弛豫時間分布。

為實現表面超潤滑，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聯，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、疏松多孔的潤滑層（BiGel-CB）。紅外光譜（ATR-FTIR）和低場核磁共振（LF-NMR）分析證實，經過限域破壞處理后，BiGel-CB表面形成了更強、更均勻的水合層。力學性能測試表明，得益于雙連續微相界面的強限域與耗散作用，BiGel-CB展現出卓越的綜合性能：彈性模量約417 MPa，斷裂應力約11 MPa，韌性約24 MJ/m3，抗蠕變和抗斷裂能力均遠優于孤島結構的IsoGel-CB。納米壓痕測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力-應變曲線。(b) 楊氏模量與MAAm含量的關系。(c) 表面納米壓痕模量。(d) 抗蠕變性能測試示意圖及(e)在100 N載荷下持續1800秒的蠕變曲線。(f) 純剪切測試示意圖及(g)斷裂能結果。(h) 水滴在BiGel-CB和IsoGel-CB表面的動態鋪展過程。(i) BiGel-CB的水下超疏油性能。

潤滑性能評估揭示了其超低摩擦的機制。Stribeck曲線顯示，BiGel-CB在整個速度范圍內均表現出比IsoGel-CB更低的摩擦系數。在邊界潤滑區域，?1Gel-CB的摩擦系數比IsoGel-CB低約一個數量級。原子力顯微鏡（AFM）和側向力顯微鏡（LFM）在納米尺度上證實，BiGel-CB表面因雙連續結構的貫穿性，解離后能完全釋放親水鏈，形成均勻光滑的形態；而IsoGel-CB表面則殘留大量疏水團簇，導致水合層不連續，摩擦較高。往復摩擦測試進一步證明了BiGel-CB在較寬載荷范圍內（1-20 N）均能保持穩定超潤滑，并展現出優異的抗裂紋擴展能力。

圖4 | (a) BiGel-CB和(b) IsoGel-CB的潤滑機制示意圖。(c, d) BiGel-CB和IsoGel-CB的Stribeck曲線及相應水合高度變化。(e, f) 在邊界潤滑狀態下（滑動速度0.628 mm/s），摩擦系數隨載荷的變化。(g, h) BiGel-CB和IsoGel-CB表面的AFM高度圖。(k, l) 利用LFM測得的側向力-法向力曲線及計算得出的微觀摩擦系數。

長期耐磨測試結果令人印象深刻。在50 N高載荷下進行10萬次摩擦循環，BiGel-CB的平均摩擦系數仍穩定在約0.0034。研究發現，摩擦磨損過程本身能夠誘導界面動態解離平衡，暴露出新的親水鏈，從而實現潤滑層的持續自再生。光學顯微鏡觀察到摩擦后表面出現了更細密的水合褶皺，直觀證明了這一再生過程。

圖5 | (a) 摩擦測試示意圖及BiGel、BiGel-CB和IsoGel-CB對應的摩擦系數曲線。(b) BiGel-CB和IsoGel-CB摩擦系數隨載荷的變化。(c) PMAA-CB、BiGel-CB、PMAAm-CB和IsoGel-CB樣品的平均摩擦系數。(d) 摩擦裂紋擴展示意圖及 i) BiGel, ii) BiGel-CB, iii) IsoGel-CB的裂紋光學圖像（比例尺：200 μm）。(e) BiGel、BiGel-CB和IsoGel-CB的界面裂紋擴展速率隨載荷的變化。(f) BiGel-CB在50 N法向載荷下的長期潤滑性能（接觸應力約0.9 MPa，頻率1 Hz）。(g) BiGel-CB在PBS溶液中摩擦測試前后的表面光學圖像：i) 摩擦前，ii) 摩擦后，iii) 摩擦邊界（比例尺：200 μm）。

該水凝膠系統另一個突出優勢是其閉環可回收性。基于線性聚合物、氫鍵關聯和微相分離結構，磨損后的凝膠可在堿性條件下完全解離為液態前驅體，再通過調節pH值重新凝膠化，并可重塑成復雜形狀或涂覆于各種基底上作為潤滑涂層。經過100次這樣的降解-重建循環，材料仍能保持約98.5%的減摩性能，為解決傳統水凝膠材料磨損廢棄導致的浪費和潛在微塑料污染問題提供了新思路。

圖6 | (a) 強韌潤滑系統的閉環回收示意圖。(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) 水凝膠涂層與相應裸基底摩擦系數的對比。(e) 降解-重建循環過程中的摩擦系數曲線及(f)平均摩擦系數值對比（以玻璃為基底，“處理次數”以奇數次代表涂層、偶數次代表降解來表征）。

這項研究成功打破了水凝膠機械強度與界面潤滑性能不可兼得的傳統桎梏。通過“選擇性破壞微相限域”策略，創造性地構建出同時具備超高模量、超低摩擦、優異耐磨性和閉環可回收性的新一代潤滑水凝膠。該系統融合了機械強韌、自適應潤滑與可持續性，為軟體機器人、人工關節及極端環境應用中的下一代智能潤滑系統設計提供了全新的范式。