中科院蘭州化物所徐路團隊《Nano Lett.》：純無機仿生潤滑水凝膠

[引言]

盡管神話或科幻小說中記載了諸多完全由無機物組成的生命體，然而在現實生活中，以無機組分為基元構建仿生材料是項極具挑戰性的工作，因為無機物通常不具備構筑生命體所需的良好柔韌性、可塑性和響應性。因此，絕大多數情況下，具有可調諧機械強度或摩擦學性能的類生命材料（如自適應水凝膠）必須建立在輕而軟的有機分子上。換言之，如果能夠成功利用無機基元實現仿生軟材料的構筑，必然將會是對材料科學和納米技術的有力補充。因其不僅可為創造全新的“無機生命體”提供可行性，還能夠克服傳統有機化合物所存在的易燃、有毒和難以生物降解等缺點。

[成果簡介]

針對上述問題，中國科學院蘭州化學物理研究所徐路研究員（通訊作者）團隊首次報道了一種僅由氧化石墨烯和水組成的雙響應型機械與摩擦學自適應水凝膠，該純無機水凝膠能夠基于pH或溫度誘導的內部微觀結構重構，使自身機械強度或摩擦系數分別急劇或緩慢變化10倍與5倍以上。同時改變外部pH和溫度則能夠誘發凝膠的機械與摩擦學性能發生更加顯著的變化。該行為能夠高仿真模擬肌肉或海參在感受外部刺激或生物信號下的力學或摩擦學性能變化。該水凝膠在低pH值和室溫下呈現優異的潤滑抗磨性能，并可與由傳統有機潤滑基礎油或添加劑所形成的凝膠相比肩。結合所使用氧化石墨烯凝膠因子的低毒性和生物降解性，以及該水凝膠易于制備的優點。研究者認為這種新型自適應水凝膠不僅能夠用于仿生領域，還可作為智能與綠色超分子凝膠潤滑劑用于精確調諧材料表面的摩擦學性能，繼而在智能器件（如自清潔表面和微流體技術）的構筑方面表現出潛在應用價值。相關研究成果以“Dual-Driven Mechanically and Tribologically Adaptive Hydrogels Solely Constituted of Graphene Oxide and Water”為題發表在《Nano Letters》上。論文的第一作者為蘭州化學物理研究所助理工程師胡璐琳，通訊作者為徐路研究員和山東大學郝京誠教授。

[核心創新點]

1本工作報道了僅由氧化石墨烯和水構成的pH、溫度雙響應型機械和摩擦學自適應性無機水凝膠。

2該水凝膠可表現出低的摩擦系數且持久穩定的摩擦效果，同時克服傳統有機潤滑劑易燃毒性等缺點。因此，除了作為仿生材料之外，還可以作為一種新型的智能綠色潤滑劑。

3本工作不僅可為仿生軟材料的設計制備提供新的思路，拓寬無機水凝膠的應用范圍，還能夠為制造不含任何有機分子的智能軟材料提供新的設計策略，從而有望幫助擴大材料科學、膠體化學、綠色摩擦學和納米技術的研究范圍。

[圖文導讀]

圖1 水凝膠在不同pH下的cryo-SEM表征及結構示意圖

圖2?pH值對水凝膠的機械及摩擦學性能的影響

圖3 水凝膠的熱響應性(A-K)及pH和溫度對水凝膠機械和摩擦學性能的雙驅動行為(L-O)

[結論]

綜上所述，作者成功制備了以氧化石墨烯和水為材料，pH和溫度雙驅動的機械和摩擦學適應性的純無機仿生水凝膠，不僅可為仿生軟材料的設計提供新的思路，拓寬無機水凝膠的應用范圍，還能夠為制造不含任何有機分子的智能軟材料提供新的設計策略，從而有望幫助擴大材料科學、膠體化學、綠色摩擦學和納米技術的研究范圍。

文章鏈接：Dual-Driven Mechanically and Tribologically Adaptive Hydrogels Solely Constituted of Graphene Oxide and Water.?Nano Lett.?2022. DOI:?10.1021/acs.nanolett.2c01489