中科院兰州化物所徐路团队《Nano Lett.》：纯无机仿生润滑水凝胶

[引言]

尽管神话或科幻小说中记载了诸多完全由无机物组成的生命体，然而在现实生活中，以无机组分为基元构建仿生材料是项极具挑战性的工作，因为无机物通常不具备构筑生命体所需的良好柔韧性、可塑性和响应性。因此，绝大多数情况下，具有可调谐机械强度或摩擦学性能的类生命材料（如自适应水凝胶）必须建立在轻而软的有机分子上。换言之，如果能够成功利用无机基元实现仿生软材料的构筑，必然将会是对材料科学和纳米技术的有力补充。因其不仅可为创造全新的“无机生命体”提供可行性，还能够克服传统有机化合物所存在的易燃、有毒和难以生物降解等缺点。

[成果简介]

针对上述问题，中国科学院兰州化学物理研究所徐路研究员（通讯作者）团队首次报道了一种仅由氧化石墨烯和水组成的双响应型机械与摩擦学自适应水凝胶，该纯无机水凝胶能够基于pH或温度诱导的内部微观结构重构，使自身机械强度或摩擦系数分别急剧或缓慢变化10倍与5倍以上。同时改变外部pH和温度则能够诱发凝胶的机械与摩擦学性能发生更加显著的变化。该行为能够高仿真模拟肌肉或海参在感受外部刺激或生物信号下的力学或摩擦学性能变化。该水凝胶在低pH值和室温下呈现优异的润滑抗磨性能，并可与由传统有机润滑基础油或添加剂所形成的凝胶相比肩。结合所使用氧化石墨烯凝胶因子的低毒性和生物降解性，以及该水凝胶易于制备的优点。研究者认为这种新型自适应水凝胶不仅能够用于仿生领域，还可作为智能与绿色超分子凝胶润滑剂用于精确调谐材料表面的摩擦学性能，继而在智能器件（如自清洁表面和微流体技术）的构筑方面表现出潜在应用价值。相关研究成果以“Dual-Driven Mechanically and Tribologically Adaptive Hydrogels Solely Constituted of Graphene Oxide and Water”为题发表在《Nano Letters》上。论文的第一作者为兰州化学物理研究所助理工程师胡璐琳，通讯作者为徐路研究员和山东大学郝京诚教授。

[核心创新点]

1本工作报道了仅由氧化石墨烯和水构成的pH、温度双响应型机械和摩擦学自适应性无机水凝胶。

2该水凝胶可表现出低的摩擦系数且持久稳定的摩擦效果，同时克服传统有机润滑剂易燃毒性等缺点。因此，除了作为仿生材料之外，还可以作为一种新型的智能绿色润滑剂。

3本工作不仅可为仿生软材料的设计制备提供新的思路，拓宽无机水凝胶的应用范围，还能够为制造不含任何有机分子的智能软材料提供新的设计策略，从而有望帮助扩大材料科学、胶体化学、绿色摩擦学和纳米技术的研究范围。

[图文导读]

图1 水凝胶在不同pH下的cryo-SEM表征及结构示意图

图2 pH值对水凝胶的机械及摩擦学性能的影响

图3 水凝胶的热响应性(A-K)及pH和温度对水凝胶机械和摩擦学性能的双驱动行为(L-O)

[结论]

综上所述，作者成功制备了以氧化石墨烯和水为材料，pH和温度双驱动的机械和摩擦学适应性的纯无机仿生水凝胶，不仅可为仿生软材料的设计提供新的思路，拓宽无机水凝胶的应用范围，还能够为制造不含任何有机分子的智能软材料提供新的设计策略，从而有望帮助扩大材料科学、胶体化学、绿色摩擦学和纳米技术的研究范围。

文章链接：Dual-Driven Mechanically and Tribologically Adaptive Hydrogels Solely Constituted of Graphene Oxide and Water. Nano Lett. 2022. DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c01489