軟物質濕滑資料在受力剪切條件下通常會發生變形,這不利於滑動介面實現低摩擦。由於水作為潤滑劑黏度較低,在高載荷(特別是球-盤)接觸條件下,軟物質系統的摩擦力主要來源於剪切過程中接觸表面之間的介面相互作用力(Fint)和接觸變形引起的阻礙效應(Fdef)。在保證表面水化的條件下,最大限度降低變形,是實現軟物質類濕滑資料潤滑與承載效能統一的有效策略之一。
受鯰魚肌肉硬化觸發的表皮系統潤滑轉變行為啟發(圖1),中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室周峰研究員團隊,報導了一種新型模量自我調整潤滑水凝膠資料。
圖1.MALH智慧潤滑資料的仿生學設計過程
該資料由微米級厚度的表面聚電解質親水潤滑層和具有熱觸發相變特徵的水凝膠承載層組成。在低溫條件下,資料處於柔軟狀態(模量:~0.3 MPa),滑動剪切會引起資料的嚴重彈性形變,摩擦對偶與資料表面接觸充分,使得介面摩擦係數較大(μ~0.37)。在維持資料表層水化狀態不變的條件下,對該資料進行加熱致使承載層凝膠發生相分離進而變硬(模量:~120 MPa),可大幅度抑制滑動剪切過程中資料的變形,從而導致摩擦對偶與資料表面接觸面積减小,摩擦係數顯著降低(μ~0.027)(圖2a)。
理論類比結果也表明,這種顯著的潤滑轉變行為主要歸因於模量動態轉變的自我調整接觸演化機制(圖2b)。這種基於接觸形態的潤滑調控行為具有響應快、可逆性好以及寬範圍載荷耐受性特點(圖2c-d)。基於此,研究人員開發了智慧潤滑型水凝膠子彈和功能貼片,有望用於工程衝擊穿刺和移動裝備制動等領域(圖3-圖4)。
圖2.MALH智慧潤滑資料的響應性潤滑調控行為
圖3.MALH智慧潤滑子彈的穿刺行為
圖4.基於可操控機械臂來驗證MASLD智慧潤滑貼片的潤滑調控行為
該研究對認識接觸與摩擦、潤滑行為的科學關係,發展高性能水潤滑塗層,開發仿生智慧潤滑系統和軟體機器人具有重要意義。
該研究工作以“Modulus adaptive lubricating prototype inspired by instant muscle hardening mechanism of catfish skin”為題發表在Nature Communications上,中國科學院大學張雲雷博士生為論文第一作者,蘭州化物所周峰研究員和麻拴紅副研究員為通訊作者。
以上研究工作得到了中科院先導B培育項目、國家自然科學基金重點專案、中科院青促會人才項目、蘭州化物所“十四五”規劃重點培育項目等的支持。