科學家發展出界面動態減摩抗磨新方法

發展通用的表面修飾技術是實現材料功能化的有效途徑之一。目前已有的表面修飾策略所用的表面修飾物主要以鏈狀聚合物、大分子以及小分子化合物爲主，尚無技術能夠在材料表面可控修飾機械耐受性更好的水凝膠塗層，從而實現界面動態減摩抗磨。

近日，中國科學院蘭州化學物理研究所研究員周峯團隊發展出表面催化引發自由基聚合技術（surface catalytically initiated radical polymerization, 簡稱SCIRP，圖1），成功實現界面動態減摩抗磨。

受摩擦學中“原位摩擦聚合理念”啓發，研究人員在前期研究中發現將鐵絲浸沒到水凝膠預聚液中後，室溫下鐵絲表面會聚合形成一層具有低摩擦係數的透明水凝膠膜。當水凝膠膜被破壞之後，鐵絲表面會重新生成新的凝膠潤滑膜。以氮化硅爲對偶、水凝膠預聚液爲潤滑介質、不鏽鋼板材作爲基體材料的長磨測試過程中，研究人員觀察到了原位的減摩和抗磨現象。這種現象背後的科學機制爲：磨損區域暴露出的二價鐵和預聚液中的過硫酸根離子發生氧化還原反應，降低了自由基聚合過程中鏈引發（決速）步的活化能，使得磨損區域在室溫下能夠原位地生成水凝膠潤滑膜。

基於以上實驗結果，研究人員發展了一種通用的水凝膠表面修飾技術。隨後，通過不同的成型技術將鐵催化劑複合到了不同的基體材料中（包括聚氨酯、環氧樹脂、聚四氟乙烯、PDMS、PTFE、偏氟乙烯、UHMWPE、PEEK、陶瓷、金屬間化合物等），製備得到了含鐵催化劑的一系列複合材料。

實驗結果表明，在室溫下將複合材料浸入到水凝膠預聚液中，經過很短的反應時間複合材料表面即可通過原位聚合包覆一層均勻的水凝膠膜，進而快速地改變了材料表面的潤溼和潤滑特性。其間，水凝膠膜厚度及網絡結構可通過聚合反應動力學精準控制。研究人員將這一新方法命名爲SCIRP。實現過程中，研究人員還發現SCIRP具有多次連續引發聚合特徵，即在無需去除原有材料表面第一層水凝膠塗層的前提下，第二種或第三種凝膠單體可在材料表面發生連續聚合，形成多網絡或者梯度結構水凝膠塗層。最近該成果在線發表在《先進材料》（Advanced Materials）上。

隨後，基於水凝膠材料成型較難的現實和複雜結構水凝膠管簡易製備的技術需要，研究人員又通過化學聚合成功製得複雜結構三維水凝膠管材料。他們發現當以鐵絲或棒狀含鐵複合材料作爲生長模板時，移除模板後可獲得中空水凝膠管。利用此方法，研究人員拓展了凝膠管的化學組分，成功製備得到了8至9種不同化學組分的水凝膠管材料。通過使用多根鐵絲作爲生長模板，可製備得到具有複雜結構的三維水凝膠管材料（圖2）。

該項工作是材料學界第一次從化學聚合角度成功製得中空水凝膠管材料，單體普適性較強，與傳統的模板澆築法和3D打印擠出成型技術相比具有明顯區別。研究人員將製得的中空水凝膠管作爲人工血管組織模型體與內皮細胞（PAEC）進行共培養，發現在培養12天之後，凝膠管內壁形成了連續的內皮層，並出現了α-平滑肌肌動蛋白 (α-smooth muscle actin,α-SMA) 的特異性表達，表明製得的凝膠管具有用作人工血管模型的潛力。最近，該研究在線發表在《材料化學》（Chemistry of Materials，DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b02532）上。

基於SCIRP方法，研究人員已經發展了一系列功能性材料，包括層狀人工血管模型材料、水下軟驅動材料、智能微流控材料、生物潤滑材料、親水減阻材料以及乳液分離材料等。以上工作得到國家自然科學基金和科技部重點研發計劃等的支持。

圖1 表面催化引發自由基聚合技術（surface catalytically initiated radical polymerization- SCIRPsurface catalytically initiated radical polymerization- SCIRP）用於在材料表面修飾水凝膠塗層示意圖和決速步活化能分佈曲線圖