在人體關(guān)節(jié)中，軟骨依托多尺度膠原網(wǎng)絡(luò)、多相組分及其界面的協(xié)同作用，構(gòu)建出兼具高承載與超低摩擦的天然潤滑系統(tǒng)。基于這一特性，水凝膠有望成為人工軟骨替代材料。

　　近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所提出了一種全新的材料設(shè)計思路，通過“選擇性破壞雙連續(xù)微相限域”，在同一材料中實現(xiàn)強(qiáng)韌承載骨架與超潤滑界面的協(xié)同統(tǒng)一。

　　團(tuán)隊以甲基丙烯酸和甲基丙烯酰胺為模型單體，采用溶劑交換誘導(dǎo)微相分離的策略，成功構(gòu)建出一種具有雙連續(xù)微相限域結(jié)構(gòu)的共聚物水凝膠。實驗結(jié)果表明，該水凝膠的彈性模量遠(yuǎn)高于絕大多數(shù)已報道的潤滑水凝膠體系。

　　在保證整體強(qiáng)度的同時，團(tuán)隊選擇性地破壞表層微相限域結(jié)構(gòu)。該潤滑層通過強(qiáng)水合作用與熵排斥力的協(xié)同機(jī)制，顯著降低界面剪切應(yīng)力，達(dá)到典型的“超潤滑”水平。

　　該水凝膠體系在長期摩擦過程中展現(xiàn)出自再生潤滑能力。研究發(fā)現(xiàn)，摩擦磨損本身會誘導(dǎo)界面發(fā)生動態(tài)解離平衡，持續(xù)暴露新的親水鏈段，從而持續(xù)補(bǔ)充潤滑界面。在50N高載荷、10萬次摩擦循環(huán)后，該材料幾乎無性能衰減。雙連續(xù)微相結(jié)構(gòu)耦合表面潤滑層還能有效鈍化摩擦裂紋、分散應(yīng)力集中，顯著提升耐磨壽命。

　　該研究通過“選擇性破壞微相限域”策略，打破了水凝膠材料中機(jī)械強(qiáng)度與界面潤滑性能不可兼得的傳統(tǒng)桎梏，首次在同一體系中集成了超高模量、超低摩擦、優(yōu)異耐磨性與閉環(huán)可回收性。不僅為人工關(guān)節(jié)、軟體機(jī)器人和極端環(huán)境下的潤滑需求提供了全新的材料解決方案，也為未來智能化、可持續(xù)潤滑系統(tǒng)的設(shè)計奠定了重要理論與技術(shù)范式。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等的支持。