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科研進展

蘭州化物所仿生潤滑材料研究取得新進展

發表日期:2021-11-24来源:蘭州化學物理研究所放大 縮小

  物體(液體和固體)的定向傳輸在能量傳輸、智能機器人、生物醫學設備等領域都有著重要的應用。過去20年裏,液體定向輸運研究引起了科學家們的廣泛關注,並取得了重要突破。然而,固體輸運研究報道很少。與液體定向輸運機制不同(結構或界面化學梯度誘導的毛細驅動力),限域受壓條件下固體定向輸運需要依靠強大的機械推動力來克服彈性變形接觸過程中的摩擦力,而良好的界面潤滑是先決條件。

  中國科學院蘭州化學物理研究所固体润滑國家重點實驗室周峰研究员团队从生活中找到了解决上述问题的策略。自然界中,在组织腔道分泌粘液的润滑作用下,食道能够利用肌肉应激产生的机械蠕动波实现大食块的成功传输。受此启发,研究人员基于界面润滑和机械变形的耦合效应,开发了一种智能型类食道凝胶软物质器件。在凝胶管内腔表面坚固的水润滑层辅助下,利用管腔收缩变形产生的流体动压和机械推动力实现了固体在多维方向的按需运输。相关结果发表在Advanced Science上。

  研究人員基于先前提出的表面催化引發自由基聚合方法(SCIRP, Advanced Materials, 2018, 30, 50, 1803371),以鐵絲爲催化模板,制得了含有ATRP活性引發劑的鐵基雙網絡高強度溫敏性水凝膠管;接著采用前期發展的亞表面引發自由基聚合方法學(sSI-ATRP, 中国科学:化学, 2018, 48,12,1611),將親水性聚電解質刷化學接枝和嵌入到凝膠管的內腔表面網絡,制得內腔體表面低摩擦、腔殼溫控收縮變形的仿生類食道凝膠管器件。在聚合過程中原位引入四氧化三鐵納米顆粒(Fe3O4 NPs), 可实现温敏性凝胶管器件腔道的近红外光远程操作。所制备的凝胶管器件经近红外激光局部照射后,内表面仍可保持低摩擦状态(Ffriction:~0.03 N),而空腔则产生瞬间体积收缩。这种体积收缩使得管状器件能够产生足够的流体动压和大的机械推动力(Fpush:~0.18 N),伴随着激光的连续辐照,凝胶管产生类似食道的机械蠕动波,有效地驱动固体在挤压管腔中的定向输送。

  該研究利用新穎的仿生設計理念、表面化學和軟材料力學耦合,成功實現了限域受壓條件下固體在三維管腔環境中沿任意方向的定向輸送,對于認識軟物質受壓變形過程中界面接觸力學與摩擦的耦合關系具有重要指導意義,所設計的驅動器有望用于仿生藥物運輸或人工體外食管模擬系統,例如,幫助食道癌患者和宇航員制定飲食相關的物理治療計劃。

  该研究工作得到了美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)贺曦敏教授的指导。中國科學院大学刘辉博士和张云雷博士生为论文第一作者,周峰研究员、麻拴红副研究员和贺曦敏教授为通讯作者。

基于界面潤滑和機械形變耦合效應的仿生類食道固體定向輸運器件

  以上研究得到了國家自然科學基金項目、中科院先導B培育項目以及中科院青年創新促進會的支持。

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