無機物通常不具備構(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)機械強度或摩擦學(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分子上。如果能夠成功利用無機基元實現(xiàn)仿生軟材料的構(gòu)筑，將是對材料科學(xué)和納米技術(shù)的有力補充，因其不僅可為創(chuàng)造全新的“無機生命體”提供可行性，還能克服傳統(tǒng)有機化合物易燃、有毒性和難以生物降解等缺點。
近日，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特聘青年研究員徐路團(tuán)隊與山東大學(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)型機械與摩擦學(xué)自適應(yīng)水凝膠。該純無機凝膠能夠基于pH或溫度誘導(dǎo)的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)，使自身機械強度或摩擦系數(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)異的潤滑抗磨性能，可與由傳統(tǒng)有機潤滑基礎(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，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)用價值。
相關(guān)研究有望通過為制造完全不含任何有機分子的智能軟材料提供新的設(shè)計策略，繼而幫助擴大材料科學(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劃、煙臺先進(jìn)材料與綠色制造山東省實驗室項目的支持。
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)及機械性能表征
圖3.水凝膠的熱響應(yīng)性及pH和溫度對水凝膠機械和摩擦學(xué)性能的雙驅(qū)動行為
來源：中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
