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

2018-06-11 12:38:11 作者：崔加喜課題組來源：材料人分享至：

【引言】

蚯蚓經(jīng)常從淤泥中光溜溜中爬出來，不帶來一粒泥土；也經(jīng)常在堅(jiān)硬的地面下穿梭，不引起一點(diǎn)損傷。這些簡單的自然現(xiàn)象其實(shí)展現(xiàn)了蚯蚓獨(dú)特的潤滑特性。這種特性與蚯蚓體表強(qiáng)大的分泌系統(tǒng)和凹凸的體表結(jié)構(gòu)有密切的聯(lián)系。強(qiáng)大的分泌系統(tǒng)讓蚯蚓能在短時(shí)間內(nèi)、快速地分泌大量粘液，而凹凸的體表結(jié)構(gòu)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(gè)很厚的潤滑層，阻止土壤與蚯蚓表皮的直接接觸，實(shí)現(xiàn)減阻，保護(hù)和自清潔的效果。需要強(qiáng)調(diào)的是，在移動(dòng)過程中，劇烈的固體物理摩擦?xí)ё咭徊糠终骋海球究偸悄茏R(shí)別這種損失，及時(shí)補(bǔ)充粘液，保持滑溜的特性。雖然類似蚯蚓的潤滑機(jī)制已引起科學(xué)家的高度重視，尤其是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域；但是像蚯蚓這樣響應(yīng)性地自補(bǔ)充潤滑劑，從而實(shí)現(xiàn)減阻抗磨，仍是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

【成果簡介】

近日，電子科技大學(xué)的崔家喜教授和鄧旭教授（共同通訊作者）團(tuán)隊(duì)在模仿蚯蚓這種自潤滑機(jī)制上取得了一定進(jìn)展。他們前期發(fā)展了一類具有自調(diào)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(zhì)（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(dòng)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(jié)構(gòu)，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(huán)境中，溶劑THF的蒸發(fā)會(huì)誘導(dǎo)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(jìn)一步進(jìn)行，這些冷凝水滴會(huì)進(jìn)一步蒸發(fā)，留下具有一定尺寸的表面微觀結(jié)構(gòu)。由于uPDMS超分子聚合物凝膠是通過動(dòng)態(tài)可逆性的氫鍵交聯(lián)形成。在受到外界機(jī)械力的干擾時(shí)其交聯(lián)平衡會(huì)發(fā)生快速移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)液體的響應(yīng)性快速釋放。這些釋放的潤滑劑會(huì)被表面微觀結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)材料的自清潔和自潤滑。當(dāng)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(jī)械力的刺激下又可以隨時(shí)生成，從而實(shí)現(xiàn)材料的可持續(xù)的使用。因此我們相信本工作中這種受蚯蚓啟發(fā)的潤滑機(jī)制對(duì)于在固體環(huán)境中使用的減摩、抗磨和自清潔涂層材料的設(shè)計(jì)和發(fā)展具有一定推動(dòng)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(fā)布在國際著名期刊Advanced Materials 上，第一作者為電子科技大學(xué)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(dǎo)讀】

圖1.蚯蚓原型及其分泌示意圖。