科研進展
蘭州化物所動態(tài)多尺度接觸耦合的“黏-滑”調控研究獲新進展
使役環(huán)境中潤濕和接觸的動態(tài)演變規(guī)律是固、液、氣多相界面中摩擦與黏附的核心科學問題，其中，跨尺度接觸是連接微觀和宏觀的橋梁。然而，由于缺乏不同尺度接觸精確可控的材料體系和標準的測試方法，長期以來介觀尺度接觸的主要影響因素、微觀尺度對介觀尺度接觸的影響規(guī)律、微觀和介觀尺度接觸耦合協(xié)同對宏觀性能的影響等基本科學問題依然未知。
近日，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，自主設計研發(fā)了一臺動態(tài)多尺度接觸高分辨光學觀測平臺裝置，將其與動態(tài)加載系統(tǒng)連用，實現了固-固界面真實接觸的實時采集。基于多尺度接觸的標準化測試手段，提出了動態(tài)多尺度接觸耦合調控設計方法，發(fā)展了一種大跨度可逆“黏-滑”調控的智能水凝膠材料（DMCS-水凝膠），實現了“黏”與“滑”之間的相互切換。
圖1 界面動態(tài)接觸行為采集裝置
該工作的主要機理是在分子尺度，基于水凝膠表面的去水化和水化導致的黏附分子的暴露和屏蔽，繼而影響微觀尺度的界面相互作用；在介觀尺度，基于表面粗糙度和模量的可逆變化，進一步影響介觀尺度的界面真實接觸和接觸速率。
圖2 黏-滑調控水凝膠材料的設計理念
在低于臨界轉變溫度（LCST）時，凝膠中的PNIPAAm片段極易與水分子形成分子間氫鍵，這時凝膠表面干燥且充斥著空氣，疏水的碳鏈骨架和鄰苯二酚等官能基團傾向暴露于表面，從而增加了界面微觀尺度接觸。此外，凝膠在低溫條件下的低模量和低粗糙度增加了介觀尺度接觸，微觀和介觀尺度接觸耦合致使整個表面最終呈現黏附態(tài)。而當溫度高于LCST時，分子間氫鍵被破壞，水分子潤濕凝膠表面導致羧基官能團向表面遷移，使其表面自由能最小化，這一過程破壞了鄰苯二酚基團與基底表面的相互作用，減小了微觀尺度接觸，且遷移到表面的羧酸官能團結合了大量水分子形成潤滑層。此外，表面模量和粗糙度也隨著溫度的增加而增加，進一步減少了介觀尺度接觸。微觀尺度的界面相互作用屏蔽和介觀尺度的表面粗糙化/高模量致使整個凝膠表面呈現潤滑態(tài)。更重要的是，這種潤滑和黏附態(tài)能隨著溫度變化而自由切換。
圖3 水凝膠介觀尺度接觸演變規(guī)律
圖4 水凝膠界面的動態(tài)潤濕規(guī)律
圖5 高黏附到濕潤滑的轉變
DMCS-水凝膠表現出優(yōu)異的溫度響應性和可逆黏附性能，潤滑和黏附狀態(tài)可自由切換，適用于各種基材，如木材、鐵片、玻璃、硅片和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等。最大黏附開關比達240倍，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
圖6 水凝膠的可切換黏附特性
總而言之，研究人員利用分子構象重排、模量調控和粗糙度變化，建立了基于微觀尺度和介觀尺度協(xié)同作用的動態(tài)多尺度接觸系統(tǒng)，發(fā)展了一種可逆、動態(tài)、快速在黏附和潤滑狀態(tài)之間切換的智能表面構筑方法。該多尺度黏附機制對智能黏附材料的設計具有一定的指導意義。
相關研究成果以“Design of large-span stick-slip freely switchable hydrogels via dynamic multiscale contact synergy”為題發(fā)表在Nature Communications（10.1038/s41467-022-34816-2）上。蘭州化物所張芝芝博士生為論文第一作者，周峰研究員和馬延飛助理研究員為通訊作者。
以上工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃和山東省自然科學基金重點研究等項目的支持。
