研究报告：通过AFM适配的水凝胶探针研究盐溶液中的水化超润滑机制

作者与发表信息

本研究由Zhuolin Wu、Rui Zhang和Jinjin Li等学者完成，并由清华大学先进装备摩擦学国家重点实验室主导。研究成果发表在期刊《Small》上，DOI为10.1002/smll.202411253，发表于2025年。

研究背景

水凝胶因其优异的润滑性能和生物相容性，在生物医学、组织工程和环境科学等领域受到广泛关注。特别是在人工关节、眼部润滑、仿生黏膜和仿生涂层等润滑系统中，其表现令人瞩目。然而，尽管水凝胶在宏观尺度上已经展示了超润滑特性，其在纳米尺度上实现高效润滑的机制仍未充分揭示。本研究旨在利用与原子力显微镜（AFM）兼容的水凝胶探针建立基于水化作用的超润滑系统，深入解析水凝胶在盐溶液中的润滑机制。

研究目标

• 开发一种与AFM探针兼容的水凝胶探针，以便能够稳定地研究水凝胶微观润滑机理。
• 探讨各种盐溶液（例如NaCl、KCl和LiCl）中的润滑行为以及离子在润滑过程中的作用。
• 揭示水凝胶/盐溶液润滑系统中离子水化和离子-聚合物相互作用的协同作用。

研究流程

1. 水凝胶探针的制备

使用基于微流控系统的方法制备聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝胶微球。添加不同浓度的PEGDA（40%和80%）或丙烯酰胺（AM）制备三种类型的水凝胶： - PEGDA 40%水凝胶 - PEGDA 80%水凝胶 - PEGDA/AM水凝胶

微球通过紫外光照射交联固化，并附着在AFM的无尖悬臂梁上，用于后续的摩擦和力学实验。

2. 实验设计

将三类制备的水凝胶探针与天然云母（mica）相互滑动，以研究三种盐溶液（NaCl、KCl和LiCl）中的超润滑特性： 1. 使用AFM测试摩擦力，研究不同载荷和滑动速度下摩擦系数的变化。 2. 通过X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析水凝胶的表面化学组成。 3. 使用原子力显微镜测量盐溶液中表面形貌和探针的法向力交互。 4. 使用分子动力学（MD）模拟分析不同阳离子与聚合物功能基团（如氧乙烯段）的作用力。

研究主要发现

1. 水凝胶探针的摩擦行为

在0.5 M NaCl溶液中，PEGDA/AM水凝胶探针与云母的摩擦系数低至0.0015，远低于SiO2探针。在LiCl和KCl溶液中，摩擦系数分别为>0.02和≈0.01，显示了显著的离子效应。研究表明，Na+离子强水化能力和氧乙烯段的中等绑定力是超润滑的关键。

2. 盐浓度和类型对润滑的影响

进一步测试发现，在0.1 M、0.5 M和1 M NaCl溶液中，PEGDA/AM探针始终表现出超润滑特性，而LiCl和KCl溶液无法实现超润滑。这与阳离子水化能力及其与聚合物的特定相互作用相关。

3. 表面形貌和法向力的分析

AFM结果表明，Na+离子形成的水化层最为平滑和稳定，而Li+和K+离子导致的水凝胶表面粗糙度升高，阻碍超润滑。此外，法向力曲线显示，Li+水化层容易被挤出润滑区域，而Na+离子能够维持稳定的水化层。

4. 分子动力学模拟证据

通过径向分布函数（RDF）分析得知，Na+离子与氧乙烯段的结合力适中，既能在接触区稳定存在，又不会显著增加剪切力。这种结合特性同时满足了稳定的润滑层形成和低摩擦状态。

研究结论

• 水凝胶/盐溶液系统的超润滑机制同时受到水化润滑和离子-聚合物相互作用的影响。
• Na+离子的高水化能力及其与PEGDA基质的中等相互作用力是实现超润滑的关键因素。
• 本研究提出了一种创新性的实验方法，即通过AFM适配水凝胶探针成功实现了纳米尺度下的润滑机制解析。

科学与应用价值

本研究首次在纳米尺度构建了AFM适配的水润滑系统，为深入研究水凝胶润滑机理提供了新方法。这一发现可应用于高效润滑系统的设计，例如关节软骨和仿生润滑涂层。此外，定制化的水凝胶探针可以在未来调节表面特性、机械性质和功能基团，以满足多样化实验需求。

研究亮点

• 在NaCl溶液中实现了超低摩擦系数（0.0014）。
• 指出了离子水化和离子-聚合物相互作用的协同对润滑性能的重要作用。
• 创新性地采用AFM水凝胶探针技术，实现了微观润滑行为的稳定测量。
• 揭示了特定盐离子在水凝胶润滑中的关键作用，尤其是对Na+离子的深入研究。

未来前景

该研究为探索柔性润滑材料如水凝胶在复杂环境下的润滑特性铺平了道路。通过进一步优化水凝胶探针设计并拓展到其他盐溶液和机械系统，将可能把这一研究成果推广到更多实际应用领域。