馬延飛?科技日?qǐng)?bào)記者?頡滿(mǎn)斌
(相關(guān)資料圖)
近日，記者從中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所獲悉，該所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周峰研究員團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)研發(fā)了一臺(tái)動(dòng)態(tài)多尺度接觸高分辨光學(xué)觀測(cè)平臺(tái)裝置，將其與動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)連用，實(shí)現(xiàn)了固-固界面真實(shí)接觸的實(shí)時(shí)采集。基于多尺度接觸的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試手段，提出了動(dòng)態(tài)多尺度接觸耦合調(diào)控設(shè)計(jì)方法，發(fā)展了一種大跨度可逆“黏-滑”調(diào)控的智能水凝膠材料（DMCS-水凝膠），實(shí)現(xiàn)了“黏”與“滑”之間的相互切換。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·通訊》上。
界面動(dòng)態(tài)接觸行為采集裝置。
黏-滑調(diào)控水凝膠材料的設(shè)計(jì)理念。
周峰研究員介紹，使役環(huán)境中潤(rùn)濕和接觸的動(dòng)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(xué)問(wèn)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(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法，長(zhǎng)期以來(lái)介觀尺度接觸的主要影響因素、微觀尺度對(duì)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(duì)宏觀性能的影響等基本科學(xué)問(wèn)題依然未知。
動(dòng)態(tài)多尺度接觸耦合調(diào)控的主要機(jī)理是在分子尺度，基于水凝膠表面的去水化和水化導(dǎo)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(jìn)一步影響介觀尺度的界面真實(shí)接觸和接觸速率。
水凝膠介觀尺度接觸演變規(guī)律。
在低于臨界轉(zhuǎn)變溫度（LCST）時(shí)，凝膠中的PNIPAAm片段極易與水分子形成分子間氫鍵，這時(shí)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(tuán)傾向暴露于表面，從而增加了界面微觀尺度接觸。
水凝膠界面的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕規(guī)律。
同時(shí)，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(gè)表面最終呈現(xiàn)黏附態(tài)。而當(dāng)溫度高于LCST時(shí)，分子間氫鍵被破壞，水分子潤(rùn)濕凝膠表面導(dǎo)致羧基官能團(tuán)向表面遷移，使其表面自由能最小化，這一過(guò)程破壞了鄰苯二酚基團(tuán)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(tuán)結(jié)合了大量水分子形成潤(rùn)滑層。
此外，表面模量和粗糙度也隨著溫度的增加而增加，進(jìn)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(gè)凝膠表面呈現(xiàn)潤(rùn)滑態(tài)。更重要的是，這種潤(rùn)滑和黏附態(tài)能隨著溫度變化而自由切換。
高黏附到濕潤(rùn)滑的轉(zhuǎn)變。
DMCS-水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的溫度響應(yīng)性和可逆黏附性能，潤(rùn)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(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）等。最大黏附開(kāi)關(guān)比達(dá)240倍，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
周峰介紹，研究團(tuán)隊(duì)首次利用分子構(gòu)象重排、模量調(diào)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(dòng)態(tài)多尺度接觸系統(tǒng)，發(fā)展了一種可逆、動(dòng)態(tài)、快速在黏附和潤(rùn)滑狀態(tài)之間切換的智能表面構(gòu)筑方法。該多尺度黏附機(jī)制對(duì)智能黏附材料的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。
水凝膠的可切換黏附特性。
（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）
