从离心油墨制备聚氧金属酸盐水凝胶的4D打印用于半固体润滑剂

为运动部件设计的智能润滑凝胶

让机器平稳运行通常依赖容易泄漏、蒸发或在应力下分解的油性润滑剂。本研究介绍了一种新型富水“智能凝胶”，由无机簇和一种简单的有机助剂构成，既可进行4D打印以形成复杂形状，又可作为耐久的半固体润滑剂。该工作暗示未来的发动机、机器人乃至人工关节可能采用更清洁、更可调的材料来保持润滑性。

由微小金属簇构建的凝胶

研究的核心是聚氧金属酸盐——由金属与氧原子组成的结构明确的簇，易溶于水并具有多种化学“手柄”。传统上，要将这些簇转化为水凝胶通常需要额外的带电聚合物或金属离子，这可能会削弱簇的天然特性并有时使材料不那么亲水。研究团队改为在水中混合常见的磷钨酸、钙离子和一种长的双端有机分子。在搅拌条件下，这些成分自发组装成极薄的二维纳米片，仅几纳米厚。那些薄片保留了聚氧金属酸盐的化学特性，同时被有机模板与钙桥联并稳定化，形成柔性的片状构件，可作为构建更大结构的单元。

从液态油墨到固态且可逆的凝胶

一旦形成，纳米片在中性至适中pH的水中能稳定分散，外观看上去像乳白色的液体并能保持数周。当研究者将这些分散体置于相对强的离心力下——旋转超过900倍地球重力时——薄片在试管底部被压缩成致密的不流动水凝胶。内部，薄片形成紧密连接但无序的网络。力学测试显示所得到的凝胶表现为软固体：能承载载荷、在小变形后回弹，但在受挤压或强剪切时又会流动。它们的黏度在更强外力下平滑下降，这种“剪切稀化”行为便于通过喷嘴挤出或在相对表面间展开。

对温度响应并可变形的凝胶

这些新型水凝胶还对温度敏感。在室温下它们较为坚挺并能保持形状，但当加热到约80 °C时会部分熔融，随着纳米片网络松弛变得更软、更流动。冷却后，它们能在不显著损伤的情况下恢复固体特性。利用这一点，团队通过模塑、涂覆或从注射器直接挤出等方式3D打印出星形、花朵、字母和卡通造型等彩色结构。加热时，打印出的形状会膨胀、流动或变形成新的轮廓——这就是4D打印的实例，其中时间和温度触发已打印物体的可编程变形。

作为结实耐久的润滑剂

除打印应用外，这些凝胶作为半固体润滑剂在钢、陶瓷及其组合等滑动固体之间表现出色。与导致高摩擦和深明显磨痕的纯水相比，薄层凝胶将摩擦降低到约三分之一，并显著减少大多数材料配对的磨损。一种优化配方对钢—钢接触提供了极佳保护，在20万次往返滑动循环中保持低摩擦水平，表明具有工业适用的耐久性。

这些智能凝胶的前景

通过将金属—氧簇组装成纳米片，然后通过简单的离心步骤将其紧凑为水凝胶，研究者创造了一种既可打印成复杂可重构形状又能作为坚固、寿命长的润滑剂的单一材料。由于这些凝胶大多为水基、膨胀有限，并且在初步测试中对人体细胞表现出相对温和的特性，它们有朝一日可能用于构建仿生的光滑表面，如人工软骨或软体机器人关节。更广泛地说，这项工作指向了一类可按需成型并能在苛刻条件下保持机械平稳运行的自适应“类固体”润滑剂的新发展方向。

引用: Xue, B., Yang, Y., Yang, Y. et al. 4D Printing of polyoxometalate hydrogels from centrifuged inks for semi-solid lubricants. Commun Mater 7, 64 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01075-3

关键词: 4D 打印, 水凝胶润滑剂, 聚氧金属酸盐, 智能材料, 摩擦学