聚合物水润滑材料在工程和医疗领域应用广泛，服役过程中机械变形、失水及润滑介质中力学失稳等问题突出，高承载和长效润滑减摩统一颇具挑战。
中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室周峰研究员和麻拴红研究员团队，受自然界蚯蚓持续润滑机制启发，开发了一种基于微量润滑剂的聚合物凝胶超润滑材料。
研究人员通过结合表面可控化学刻蚀、原位褶皱化、激光微加工以及平衡溶胀闭孔等策略，实现了仿生多级结构化超润滑聚合物凝胶材料的制备。该材料能够在高接触压力工况下(P: 11.32 MPa)展现出超低摩擦系数(COF:~0.0079)、稳定持久的超润滑寿命(COF:~0.0028,P:8.48 MPa,100k cycles)(图1)，且无表面磨损，这是迄今为止聚合物凝胶基超润滑材料在宏观尺度所报道的最高承载能力。特别是，在准湿态测试工况下，该材料能够在有限润滑剂 (5 μL)供给下，实现可观的持续润滑 (周期:3700 cycles)。
图1. 仿生多级结构化超润滑聚合物凝胶材料设计与性能评价
研究表明其坚固/持久的超润滑行为主要归因于滑动界面水合效应、静电排斥、润滑层/承载相的力学匹配以及摩擦过程中润滑剂的自泵送特征。研究人员通过自主搭建载荷摩擦机械驱动测试系统，直观展示了该材料机械坚固与持续可靠的超润滑行为。该研究为研制水基超润滑运动部件和医疗设备提供了理论指导。相关研究成果以“Earthworm inspired lubricant self-pumping hydrogel with sustained lubricity at high loading”为题发表在Nature出版社旗下期刊Nature Communications(2025,16:398)上。
在解决聚合物凝胶材料超高承载和机械鲁棒性超润滑难点基础之上，研究人员将关注点转移到解决材料在苛刻盐离子介质中的长效力学稳定性难题。尽管已报道的大多数聚合物凝胶材料能够实现优异的承载与减摩功能，但其在复杂离子介质中普遍存在溶胀和力学失效问题，摩擦学评价往往以去离子水为润滑介质，这明显与聚合物材料的实际应用工况不符(海水或生理介质)，使得相关材料的开发仅仅停留在概念和模型水平。
图2. 抗溶胀超润滑聚合物凝胶涂层设计与钛合金表面制造
近日，针对传统高分子凝胶材料盐析力学强化策略中的关键缺点，即盐析结晶区域在离子溶液中发生可逆解析，使得力学失稳。研究人员以聚乙烯醇(PVA)为原材料，通过退火结合静电交联晶域-原位盐析、表面水合与网络互穿-基底限域的摩擦裂纹钝化策略，制造出具有超强抗溶胀性和机械鲁棒性的聚合物超润滑凝胶材料(图2)。得益于网络内静电交联稳定的结晶域，制备的聚合物凝胶材料显示出超高的疲劳阈值(843.0 J/m2)；在磷酸盐缓冲溶液中浸泡460天后质量溶胀率极低(小于2%)、力学稳定性超强；在高接触应力(2.8 MPa)下经过100k次滑动摩擦循环后，摩擦系数仍保持极低水平(~0.0084)。特别是，在使用微米级别粗糙度的不锈钢对偶摩擦过程中，聚合物凝胶材料仍然展现出了优异的减摩和抗磨性能。主要原因是表面水合润滑机制和网络互穿层的应力离域效应能够有效降低接触面剪切应力，基底交联的结晶区承载的同时也能够钝化裂纹，进一步抑制基底层摩擦裂纹扩展，从而确保材料超长的服役周期。动物植入试验表明，该聚合物凝胶材料具有优异的生物安全性，可作为坚固的水润滑涂层成功制造在不同材质关节器械(例如钛合金、不锈钢)表面，实现高效的润滑减摩改性，为新一代自润滑器械的研制提供重要材料保障。相关研究成果于2025年7月24日以“Superior Anti-swelling and Durably Lubricious Bio-hydrogels via Robust Crystalline Domains Construction for Diverse Biodevice Coating”为题发表在Cell出版社旗下期刊Matter上。
以上研究工作得到了中国科学院战略性先导专项(B类)、国家自然科学基金等项目的资助，以及南昌大学、解放军总医院等单位的合作帮助。
