随着我国航空航天、海洋工程、高端制造等领域的快速发展，相关装备中的关键运动部件正面临愈发苛刻的变化/极限服役工况，诸如高温/宽温域、高载荷/变载荷、超高速/宽速域等复杂场景。适配变化/极限服役工况的润滑材料与技术，直接决定着高端装备的安全可靠性、使役寿命及更新迭代进程。因此，研发可响应外界刺激、自主调控自身结构以适配复杂工况的自适应润滑材料，保障高端装备高效、长寿命稳定运行，具有重要的科学意义与工程应用价值。
针对上述问题，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材料表面与界面课题组从不同的分子设计思路出发，开发了系列性能优异的工况自适应的超分子油凝胶润滑材料体系。
研究人员前期受硫辛酸动态共价化学的启发，通过可逆开环聚合构筑了力致可逆的动态共价油凝胶，在静止状态下，二硫键形成稳固三维网络实现润滑油的自约束；在剪切力作用下，二硫键可逆断裂、网络瓦解，转变为低粘度溶胶态以自适应降低运动阻力；外力撤除后，动态二硫键可逆重组，凝胶网络迅速恢复，相关研究成果发表在Advanced Functional Materials(2025, 35(25): 2501417)上。
在此基础上，为了进一步平衡凝胶网络对润滑介质的限域强度与释放效率，研究人员设计制备了一系列含羧基锚固基团和不同长度烷基链的凝胶因子。研究结果发现，羧基不仅驱动凝胶因子自组装将基础油从液态限域为凝胶态，还能将凝胶网络牢固锚固于基底表面。通过优化烷基链长度，可精确调控凝胶网络对润滑剂的限域能力，实现捕获与释放的平衡，从而减少摩擦过程中因过度限域而形成的润滑剂-凝胶网络团簇。其中，alkylSG16凝胶体系在摩擦过程中可在基底表面原位形成稳定的双层限域保护摩擦膜，使PAO10基础油的摩擦系数最大降低72%，磨损体积减少94%。此外，该凝胶因子在多种基础油及极端环境下均表现出良好的润滑稳定性和广泛适用性，减摩抗磨性能优于现有超分子润滑系统及商用润滑剂，为高效能润滑系统的设计和机械工程节能提供了新策略。相关研究成果发表在Nano Research(2025, 18(11): 94908072)上，戚长敏博士生和谢翱博士后为论文共同第一作者，蔡美荣研究员为通讯作者。
图1. (a) 具有可调烷基链长度的凝胶因子结构；(b) 不同烷基链长度定制的自组装网络限域效应的调控；(c) 刺激-响应过程中限域与释放的动态平衡；(d) 具有双重限域保护膜的自适应凝胶润滑系统。(e) 本工作与商用润滑剂及已报道的超分子凝胶润滑系统的性能对比。
为进一步提升凝胶润滑剂的机械强度和动态适应性，研究人员将动态共价键（二硫键）与非共价键（氢键）引入同一个聚合物凝胶网络中，形成了共价-非共价协同增强的凝胶润滑剂体系。含有脲基（提供氢键）和二硫键基团（提供动态共价键）的聚合物凝胶因子在基础油中自组装，构筑了既强韧又动态的超分子网络——氢键赋予凝胶高机械强度和热稳定性，动态二硫键保证了其优异的机械适应性，两者协同作用使得该凝胶润滑剂在具备出色抗爬移能力的同时，能在超高负载下保持稳定。摩擦学测试结果表明，该协同网络凝胶润滑剂将基础油的摩擦系数降低30%，磨损体积减少89%，并展现出高达1500 N的极限承载能力，在苛刻的变载、变频和高温摩擦试验中始终保持低而平稳的摩擦系数。相关研究成果发表在Nano Research(2026, 19(5): 94908367)上。李建通博士生为论文第一作者，刘维民院士、蔡美荣研究员和张明副研究员为共同通讯作者。
图2.(a) 油凝胶润滑剂的应用机制; (b) 凝胶润滑剂机械自适应机制; (c)超分子聚合物凝胶的制备; (d) 凝胶网络结构示意图; (e) 凝胶润滑机理。
上述系列研究表明，通过精细调控烷基链的物理束缚、利用动态共价键的力致可逆转换、构建共价-非共价键协同网络等分子设计策略，能够从不同途径解决润滑领域中“自约束”与“自适应释放”的核心矛盾的核心矛盾，有望广泛应用于航空航天、精密仪器及海洋工程等领域，为高端装备的绿色、长寿命运转提供技术支撑。
以上研究工作得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金等的支持。
