仿生潤滑材料研究取得新進(jìn)展

物體(液體和固體)的定向傳輸在能量傳輸、智能機器人、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。過去20年里，液體定向輸運研究引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，并取得了重要突破。然而，固體輸運研究報道很少。與液體定向輸運機制不同(結(jié)構(gòu)或界面化學(xué)梯度誘導(dǎo)的毛細(xì)驅(qū)動力)，限域受壓條件下固體定向輸運需要依靠強大的機械推動力來克服彈性變形接觸過程中的摩擦力，而良好的界面潤滑是先決條件。

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點實驗室周峰研究員團(tuán)隊從生活中找到了解決上述問題的策略。自然界中，在組織腔道分泌黏液的潤滑作用下，食道能夠利用肌肉應(yīng)激產(chǎn)生的機械蠕動波實現(xiàn)大食塊的成功傳輸。受此啟發(fā)，研究人員基于界面潤滑和機械變形的耦合效應(yīng)，開發(fā)了一種智能型類食道凝膠軟物質(zhì)器件。在凝膠管內(nèi)腔表面堅固的水潤滑層輔助下，利用管腔收縮變形產(chǎn)生的流體動壓和機械推動力實現(xiàn)了固體在多維方向的按需運輸。

研究人員基于先前提出的表面催化引發(fā)自由基聚合方法，以鐵絲為催化模板，制得了含有ATRP活性引發(fā)劑的鐵基雙網(wǎng)絡(luò)高強度溫敏性水凝膠管；接著采用前期發(fā)展的亞表面引發(fā)自由基聚合方法，將親水性聚電解質(zhì)刷化學(xué)接枝和嵌入到凝膠管的內(nèi)腔表面網(wǎng)絡(luò)，制得內(nèi)腔體表面低摩擦、腔殼溫控收縮變形的仿生類食道凝膠管器件。在聚合過程中原位引入四氧化三鐵納米顆粒(Fe3O4NPs), 可實現(xiàn)溫敏性凝膠管器件腔道的近紅外光遠(yuǎn)程操作。所制備的凝膠管器件經(jīng)近紅外激光局部照射后，內(nèi)表面仍可保持低摩擦狀態(tài)(Friction：～0.03 N)，而空腔則產(chǎn)生瞬間體積收縮。這種體積收縮使得管狀器件能夠產(chǎn)生足夠的流體動壓和大的機械推動力(～0.18 N)，伴隨著激光的連續(xù)輻照，凝膠管產(chǎn)生類似食道的機械蠕動波，有效地驅(qū)動固體在擠壓管腔中的定向輸送。

該研究利用新穎的仿生設(shè)計理念、表面化學(xué)和軟材料力學(xué)耦合，成功實現(xiàn)了限域受壓條件下固體在三維管腔環(huán)境中沿任意方向的定向輸送，對于認(rèn)識軟物質(zhì)受壓變形過程中界面接觸力學(xué)與摩擦的耦合關(guān)系具有重要指導(dǎo)意義，所設(shè)計的驅(qū)動器有望用于仿生藥物運輸或人工體外食管模擬系統(tǒng)，例如，幫助食道癌患者和宇航員制定飲食相關(guān)的物理治療計劃。