無(wú)機(jī)物通常不具備構(gòu)筑生命體所需的良好柔韌性、可塑性和響應(yīng)性。大多數(shù)情況下，具有可調(diào)機(jī)械強(qiáng)度或摩擦學(xué)性能的類生命材料（如自適應(yīng)水凝膠）必須建立在輕而軟的有機(jī)分子上。如果能夠成功利用無(wú)機(jī)基元實(shí)現(xiàn)仿生軟材料的構(gòu)筑，將是對(duì)材料科學(xué)和納米技術(shù)的有力補(bǔ)充，因其不僅可為創(chuàng)造全新的“無(wú)機(jī)生命體”提供可行性，還能克服傳統(tǒng)有機(jī)化合物易燃、有毒性和難以生物降解等缺點(diǎn)。
近日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特聘青年研究員徐路團(tuán)隊(duì)與山東大學(xué)合作首次研制出一種僅由氧化石墨烯和水組成的雙響應(yīng)型機(jī)械與摩擦學(xué)自適應(yīng)水凝膠。該純無(wú)機(jī)凝膠能夠基于pH或溫度誘導(dǎo)的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)，使自身機(jī)械強(qiáng)度或摩擦系數(shù)分別急劇或緩慢變化10倍、5倍以上。改變外部pH和溫度，則能誘發(fā)凝膠的機(jī)械與摩擦學(xué)性能發(fā)生更顯著的變化。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(hào)下的力學(xué)或摩擦學(xué)性能變化。
該水凝膠在低pH值和室溫下呈現(xiàn)出優(yōu)異的潤(rùn)滑抗磨性能，可與由傳統(tǒng)有機(jī)潤(rùn)滑基礎(chǔ)油或添加劑所形成的凝膠相比肩。結(jié)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(yōu)點(diǎn)，研究人員認(rèn)為這種新型自適應(yīng)水凝膠能夠用于仿生領(lǐng)域，并可作為智能與綠色超分子凝膠潤(rùn)滑劑，用于精確調(diào)諧材料表面的摩擦學(xué)性能，繼而在智能器件（如自清潔表面和微流體技術(shù)）的構(gòu)筑領(lǐng)域表現(xiàn)出潛在應(yīng)用價(jià)值。
相關(guān)研究有望通過(guò)為制造完全不含任何有機(jī)分子的智能軟材料提供新的設(shè)計(jì)策略，繼而幫助擴(kuò)大材料科學(xué)、膠體化學(xué)和納米技術(shù)的研究范圍。
相關(guān)研究成果以Dual-Driven Mechanically and Tribologically Adaptive Hydrogels Solely Constituted of Graphene Oxide and Water為題發(fā)表在Nano Letters上。
研究工作得到蘭州化物所特聘人才計(jì)劃、煙臺(tái)先進(jìn)材料與綠色制造山東省實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的支持。
圖1.水凝膠在不同pH下的微觀表征及結(jié)構(gòu)示意圖
圖2.水凝膠在不同pH下的摩擦學(xué)及機(jī)械性能表征
圖3.水凝膠的熱響應(yīng)性及pH和溫度對(duì)水凝膠機(jī)械和摩擦學(xué)性能的雙驅(qū)動(dòng)行為
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
