電子科技大學Advanced Materials: 仿蚯蚓潤滑涂層：自調制減助、抗磨和抗污

【引語】

蚯蚓經常從淤泥中光溜溜中爬出來，不帶來一粒泥土；也經常在堅硬的地面下穿梭，不引起一點損傷。這些簡單的自然現象其實展現了蚯蚓獨特的潤滑特性。這種特性與蚯蚓體表強大的分泌系統和凹凸的體表結構有密切的聯系。強大的分泌系統讓蚯蚓能在短時間內、快速地分泌大量粘液，而凹凸的體表結構幫助裹住這些粘液，從而在蚯蚓體表與土壤顆粒之間形成一個很厚的潤滑層，阻止土壤與蚯蚓表皮的直接接觸，實現減阻，保護和自清潔的效果。需要強調的是，在移動過程中，劇烈的固體物理摩擦會帶走一部分粘液，蚯蚓總是能識別這種損失，及時補充粘液，保持滑溜的特性。雖然類似蚯蚓的潤滑機制已引起科學家的高度重視，尤其是農業領域；但是像蚯蚓這樣響應性地自補充潤滑劑，從而實現減阻抗磨，仍是一個相當大的挑戰。

【成果簡介】

近日，電子科技大學的崔家喜教授和鄧旭教授（共同通訊作者）團隊在模仿蚯蚓這種自潤滑機制上取得了一定進展。他們前期發展了一類具有自調制分泌性能的凝膠材料（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 10681；Nat. Mater. 2015, 14, 790）。這類材料能把硅油潤滑劑包裹在uPDMS超分子聚合物基質（脲和聚二甲基硅氧烷的共聚物制）中，并在表面硅油潤滑劑損耗后，自動放出硅油。他們通過簡單高效的Breath Figure的方法，在這類材料的表面上制備具有一定尺寸的微觀結構，從而制備了仿蚯蚓自潤滑涂層。簡單來說，他們首先制備了含uPDMS和硅油的THF溶液，并把溶液涂在基底上。在高濕度環境中，溶劑THF的蒸發會誘導空氣中水氣在聚合物濃溶液表面上冷凝。隨著制備過程的進一步進行，這些冷凝水滴會進一步蒸發，留下具有一定尺寸的表面微觀結構。由于uPDMS超分子聚合物凝膠是通過動態可逆性的氫鍵交聯形成。在受到外界機械力的干擾時其交聯平衡會發生快速移動，從而實現存儲液體的響應性快速釋放。這些釋放的潤滑劑會被表面微觀結構所固定，形成一層比較厚的潤滑層，這一過程非常類似于蚯蚓的潤滑層形成，也可以實現材料的自清潔和自潤滑。當材料體表的這層液體在外界影響下有所損失的情況下，在外界機械力的刺激下又可以隨時生成，從而實現材料的可持續的使用。因此我們相信本工作中這種受蚯蚓啟發的潤滑機制對于在固體環境中使用的減摩、抗磨和自清潔涂層材料的設計和發展具有一定推動作用。

研究成果以題為“Earthworm-inspired rough polymer coatings with self-replenishing lubrication for adaptive friction-reduction and anti-fouling surfaces”發布在國際著名期刊Advanced Materials 上，第一作者為電子科技大學博士后趙懷霞。該工作也得到了德國萊布尼茨新材料研究所的支持。

【圖文導讀】

圖1.蚯蚓原型及其分泌示意圖。

a）外界刺激下的分泌行為：從潮濕土壤中移出的活蚯蚓的照片（i）;刺激前（ii）和刺激后（iii）的蚯蚓皮膚表面的電子顯微鏡圖片; b）蚯蚓表面紋理和分泌機制的示意圖。

圖2.凝膠薄膜的制造和液體釋放過程。

a）凝膠薄膜合成策略和刺激響應釋放的示意圖。b）不同時間形成的凝膠膜的俯視圖。 c）局部施壓的情況下新鮮水洗樣品的油釋放行為。 b）和c）中的膜的厚度約為400μm。

圖3.基于uPDMS的凝膠材料的減磨抗組性能。

a）在不同施加載荷的情況下，不同膜的動力摩擦系數（KFC）曲線; b）具有不同粗糙度的EWI膜在不同施加載荷的情況下的KFC曲線和循環測試。在循環測試中，測試膜在每次測試前首先要去除上在一次測試中形成的表面油層; c）在不同機械刺激周期中，EWI膜的減摩效應。紅條是粗糙的純uPDMS（Ra = 0.6μm）的KFC。文中使用表面光滑的純的uPMDS膜作為對照來獲得摩擦減小比率數值。施加的法向載荷是50 KPa; d）在50 KPa的法向載荷下，在滑動摩擦測試中種不同薄膜的摩擦系數。插圖：放大的區域。這里使用的uPDMS涂層厚約400μm，以玻璃作為基材。

圖4.基于uPDMS的凝膠材料的摩擦穩定性測試。

a）最大載荷為130 KPa時和1500次滑動循環后的表面光滑的純uPDMS薄膜; b）最大載荷為130 KPa和1500次滑動循環后的表面粗糙的純uPDMS薄膜; c）最大載荷105 KPa（斷裂）和280個滑動循環（斷裂）后的表面光滑的uPDMS-150％油膜; d）最大負荷為130 KPa和11000次滑動循環后的EWI薄膜。 在對其表面進行顯微鏡測試之前，摩擦過程中誘導產生的表面油層會首先被去除以暴露出表面紋理。 3D光學測量技術（ZYGO，USA）：采用白光干涉儀收集凝膠材料的3D圖像。 圖中比例尺為500微米。

圖5.不同濕度土壤中uPDMS凝膠材料的抗污性能測試。

a）經過不同濕度（%）的土壤及其擦拭后的表面平滑的純uPDMS，表面粗糙的純uPDMS，表面平滑的uPDMS-150%和EWI薄膜的照片圖像; b）通過泥浴前后（約30%含水量）的人工蚯蚓（表面粗糙的uPDMS-150%）的照片圖像。 測試的薄膜樣品的尺寸約為1.2厘米×2.0厘米，纖維樣品長約5厘米，半徑為1.2毫米。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201802141

本文由崔家喜課題組供稿。

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