摩擦、触觉、摩擦电性能由同一种分子调节？两亲分子来“救场”？

摘要：大家好！你是否想过，这些设备的能量来源能否更高效、更舒适呢？今天要探讨的研究就与此息息相关。从环境运动中获取能量的技术虽有前景，却面临诸多挑战。那么，有没有一种神奇的方法，既能提高能量收集效率，又能提升用户体验呢？这篇论文给出了新思路 ——利用小两亲分子来调控

大家好！你是否想过，这些设备的能量来源能否更高效、更舒适呢？今天要探讨的研究就与此息息相关。从环境运动中获取能量的技术虽有前景，却面临诸多挑战。那么，有没有一种神奇的方法，既能提高能量收集效率，又能提升用户体验呢？这篇论文给出了新思路 ——利用小两亲分子来调控摩擦、触觉和摩擦电特性——《Compressing slippery surface-assembled amphiphiles for tunable haptic energy harvesters》发表于《SCIENCE ADVANCES》，接下来一起深入了解下吧。

*本文只做阅读笔记分享*

1.为啥要研究这个？

现在从环境运动里收集能量的技术可火啦，像那种能从人体运动收集能量的技术，在医疗、通讯，还有虚拟现实这些领域都超有用。就好比你戴着个能收集运动能量的设备，它就能自己发电，给你的可穿戴电子设备供电，多方便！其中，摩擦起电是常用的能量收集方法，它靠电子设备和人体皮肤之间的电荷转移来实现，这过程和材料的粘附、摩擦紧密相关。

可问题来了，大多数材料和掺杂剂没办法同时满足高电荷密度、让人感觉舒适，还能大规模低成本生产这些要求。打个比方，要是材料摩擦系数大，戴着不舒服，大家肯定不爱用；要是电荷密度低，收集的能量少，那也没啥用。所以开发能调节摩擦的材料，对提高触觉能量收集器的性能和舒适度，让它能被广泛使用，那是相当重要！

2.两亲分子来帮忙

有一种叫两亲分子的“小能手”，能满足环境能量收集器的特殊要求。它可以在很多聚合物系统里当添加剂，还能自己跑到材料表面，组装成很滑的多层结构，这样就能减少固体间的接触，降低摩擦系数。

就像芥酸酰胺（ER）和山嵛酸酰胺（BE）这两种两亲分子，ER的分子结构里有个不饱和位点，能通过π-π堆积形成有序的中尺度堆叠；BE呢，是饱和的，它在降低摩擦方面就比ER差一些。从它们的分子结构，还能看到用它们处理过的材料表面的样子，几乎被添加剂全覆盖了。这两种分子在不同表面的表现不一样，背后的原因也很值得研究。

3.摩擦减少的秘密

研究人员用溶剂辅助浇铸的方法，给好多不同的摩擦副，像聚丙烯-聚丙烯（PP-PP）、PP-硅片这些，都弄上了ER和BE的滑移层。结果发现，ER能让很多摩擦副的稳态摩擦系数大幅降低。在PP-PP摩擦副里，ER能把稳态摩擦系数从0.39±0.01降到0.07±0.01，降低了81%呢！而且在各种摩擦副和不同法向载荷下都有明显的减摩效果。

不过，同样的滑移添加剂在不同摩擦副上的减摩程度不一样。比如在PP-PDMS摩擦副和软质的PDMS-PDMS摩擦副上，ER的减摩效果就有差异。这说明摩擦耗散机制可能和基底的模量有关系。

4.压力、粘附和摩擦的奇妙关系

摩擦力的大小和接触面积的性质关系很大。对于硬的、原始的摩擦副，如果它们的弹性模量E*>10²MPa，基本遵循阿蒙顿第一定律，也就是摩擦力和法向载荷成正比。但要是给硬摩擦副涂上ER，除了PP-硅片，其他的就会稍微偏离这个定律，因为软的滑移层会给硬界面带来一些弹性。

对于软的、有粘附性的摩擦副，像PDMS，它就不怎么遵循阿蒙顿第一定律了。PDMS的摩擦系数μK和法向载荷有很强的幂律关系，这是因为软质材料的真实接触面积接近表观接触面积，摩擦力和接触面积成正比。接触面积大的时候，滑移添加剂的效果就会变差，不过它们能减少磨损，就像给材料穿上了“保护衣”。

5.压力下的滑动奥秘

压力对滑移层的影响可不小。当压力比较低的时候，范德华力会让滑动局限在最上面的界面层。这时候，ER的界面临界应力τ₀=0.14MPa，BE的是τ₀=0.21MPa，都比原始聚合物接触的临界应力低。因为BE分子结构里没有π键，分子构型比较无序，链会相互交错，所以维持滑动需要的剪切应力更大。

随着压力升高，到了负载主导的区域，摩擦减少的效果会变好。压力大的时候，界面层会被压缩、变致密，还会产生多个层间滑移面，能有效耗散摩擦应力。就像石墨烯、硫化钼纳米片，还有冰，在压力下都能形成特殊的结构来实现超低摩擦。而且研究人员还给出了一个经验表达式=a(1-e⁻ᵇᴾ/ᵀ₀)，能表示酰胺基滑移添加剂的减摩能力，这对理解滑移添加剂的性能很有帮助。

6.人类感受和摩擦电性能

大家肯定不想用那些摩擦大的设备和衣服，所以可穿戴摩擦电设备想要被广泛使用，除了能量收集性能要好，还得让大家用着舒服。研究人员用三选一式强迫选择法（3-AFC）做了个实验，让蒙着眼睛的参与者去感受不同的PDMS表面，结果发现大家能明显感觉到不同表面的差异，而且都觉得ER涂层的PDMS表面触感更好（展示图4相关部分）。

同时，两亲分子还能改变摩擦电信号。研究人员测试了不同两亲分子涂层的PDMS的摩擦电性能，发现它们都能产生稳定、独特的摩擦电信号。像氟辛基胺、硬脂酸（SA）这些涂层，就能让PDMS的摩擦电输出电压大幅增加（结合图4讲解摩擦电性能相关内容）。这说明通过选择合适的滑移添加剂，能同时提高设备的性能和使用舒适度。