机械性能稳健的竹节及其多级纤维结构
经过亿万年的进化，大自然创造了许多性能卓越的生物材料。鱼鳞、珍珠母、骨骼、牙齿、水黾、爬山虎等生物材料都是典型例子。毛竹作为一种具有卓越机械性能和快速生长的可持续资源，逐渐成为替代木材和合成结构材料的主要对象。与具有单向纤维排布结构的竹间（bamboo internode）相比，竹节（bamboo node）似乎机械性能较弱，在工程纤维层合板加工过程中往往被忽视或废弃。存在即合理。从生物自身角度看，在高大笔直的毛竹生长发育进程中，竹节至少发挥流体多向传输和定点机械支撑两方面作用。这种多功能的实现必然与其结构密切相关。尽管已有理解竹节的相关报道，但竹节的空间纤维结构和“结构-功能”关系仍然研究不充分。
中国科学技术大学俞书宏院士团队瞄准先进纤维复合结构材料的重大需求和挑战，长期坚持学习自然，努力挖掘生物结构材料的内在设计原则，开展仿生结构材料研究。团队研究人员运用多尺度成像策略和多模态力学测试和模拟，系统分析并明确了竹节内复杂异质的多级次纤维结构。基于结构新发现，研究人员提出了三种纤维增强结构设计方案，包括空间纤维保型性紧密互锁、空间三轴互垂脚手架连接和各向同性吸能交织。同时，研究人员借助X-ray断层扫描术，发现竹节内纤维可实现多向液体输送，证实了竹节纤维结构增强和液体输运的一体化设计。进一步，受此多功能集成的启发，研究人员设计了一种基于竹节的光热水蒸发装置，该装置表现出良好的结构稳定性和蒸发效能，有效运用了竹节的自然智慧。该工作对于工程纤维复合结构设计以及生物质功能应用提供了重要思路。
该工作于近期以“Mechanically robust bamboo node and its hierarchically fibrous structural design”为题发表在《National Science Review》上。论文第一作者为中国科学技术大学陈思铭特任副研究员和张思超博士，通讯作者为高怀岭副研究员和俞书宏院士。特别感谢中国科学技术大学工程科学学院吴恒安教授、龚明教授、中国科学技术大学生命科学学院向成斌教授、沈显生教授、佐治亚理工学院孙晓昊博士、Carl Zeiss公司以及合肥植物园等的帮助。该工作受到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会项目以及中国博士后科学基金会项目等的资助。
图1 竹节整体形貌和竹节壁处微纳多级次纤维结构（涉及横纵纤维紧密互锁结构）
图2 竹节隔膜边缘区和隔膜中心区多级次纤维结构（涉及空间纤维三轴互垂脚手架结构和纤维各向同性吸能互织结构）
图3 竹节多模态力学研究（突出隔膜边缘区环纤维和竹节壁内横穿纤维的多级增强作用）
图4 竹节壁内多尺度多向孔道及液体输运应用
工作小结
研究人员依托实验和理论相结合的手段，理清了竹节内复杂的纤维结构，提炼并验证了三种纤维增强结构方案。这些纤维增强结构是由纤维素分子、纳米晶体、纳米纤维、微纤维和维管束多级组装而成。多尺度增强增韧机制如多级纤维的抽出滑移、桥连、旋转再定向、晶化非晶化转变、氢键破坏与重组等将在维持竹节和竹体结构稳定性方面发挥跨尺度协同作用。该研究工作将为工程多级纤维增强结构设计、生物质高值化应用和可持续发展提供借鉴。
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