毛竹憑借較輕的重量、卓越的機械性能和迅速的生長等優(yōu)勢，逐漸成為替代木材和化學(xué)合成品的一種可持續(xù)資源。與具有纖維單向排布結(jié)構(gòu)的竹間相比，短小的竹節(jié)似乎機械性能較為薄弱，其在工程纖維層合板加工中往往被廢棄。在高大筆直的毛竹的生存發(fā)展進程中，占比不大的竹節(jié)將發(fā)揮定點機械支撐強化和流體多向輸運等方面作用。這種雙功能或多功能的實現(xiàn)必然與竹節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，然而目前有關(guān)竹節(jié)的空間纖維構(gòu)造和構(gòu)效關(guān)系仍然模糊不清。
鑒于此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團隊運用多尺度成像和多模態(tài)力學(xué)性能研究的協(xié)同策略，系統(tǒng)分析并明確了竹節(jié)的空間多級次纖維組裝結(jié)構(gòu)，提出了三種纖維增強結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，為今后開展仿生纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的創(chuàng)制研究提供最優(yōu)的設(shè)計方案。此外，還實驗驗證了竹節(jié)結(jié)構(gòu)增強和液體輸運的一體化設(shè)計方案，并據(jù)此構(gòu)筑了一種基于竹節(jié)的光熱水蒸發(fā)裝置。近期以“Mechanically robust bamboo node and its hierarchically fibrous structural design”為題發(fā)表在《國家科學(xué)評論》上（National Science Review2022,doi: 10.1093/nsr/nwac195）。論文第一作者為陳思銘特任副研究員和張思超博士，通訊作者為高懷嶺副研究員和俞書宏院士。
【資料圖】
研究人員運用光學(xué)顯微鏡、三維X射線計算機斷層掃描及重構(gòu)技術(shù)、掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡等成像表征手段，探明了竹節(jié)內(nèi)空間異質(zhì)的多級次纖維（維管束）結(jié)構(gòu)排列情況（圖1a-b），并識別了它們的空間布局和互通性。基于結(jié)構(gòu)新發(fā)現(xiàn)，研究人員進一步提出了包括空間纖維保型性緊密互鎖（位于竹節(jié)壁，圖1c）、空間三軸互垂腳手架連接（位于竹節(jié)壁與隔膜的過渡區(qū)，圖1d）和各向同性吸能交織（位于隔膜中心區(qū)，圖1e）在內(nèi)的三種纖維增強結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。
圖1.竹節(jié)空間異質(zhì)多級次微納纖維結(jié)構(gòu)
在拱形徑向壓縮（圖2a-c）、單向軸向壓縮（圖2d-f）、軸向劈裂（圖2g-i）等不同模態(tài)載荷作用下，研究人員研究了竹節(jié)中環(huán)向纖維束（位于竹節(jié)壁和隔膜的過渡區(qū)，圖2b-c）和橫穿纖維（位于竹節(jié)壁，圖2e,h）等幾種關(guān)鍵纖維的結(jié)構(gòu)演變和破壞情況。進一步結(jié)合三維X射線計算機斷層掃描和微裂紋重構(gòu)技術(shù)以及理論模擬分析（圖2b-c,e-f,h-i），驗證了幾種關(guān)鍵纖維和纖維增強結(jié)構(gòu)設(shè)計方案在維持竹節(jié)和竹體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的重要貢獻(xiàn)。
圖2.竹節(jié)多模態(tài)力學(xué)研究與關(guān)鍵纖維的增強增韌作用
研究人員還運用三維X射線計算機斷層掃描術(shù)，實驗發(fā)現(xiàn)竹節(jié)內(nèi)多向排布的維管束纖維可實現(xiàn)液體輸運交換，并證實了維管束纖維結(jié)構(gòu)增強和液體輸運的一體化設(shè)計。受此多功能集成的啟發(fā)，設(shè)計了一種基于竹節(jié)的光熱水蒸發(fā)裝置，該裝置表現(xiàn)出良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和蒸發(fā)效能。
這項研究運用了實驗和理論相結(jié)合的手段，詳細(xì)解析了竹節(jié)內(nèi)復(fù)雜的纖維結(jié)構(gòu)，提煉并驗證了三種纖維增強結(jié)構(gòu)方案。這些纖維增強結(jié)構(gòu)由纖維素分子、納米晶體、納米纖維、微纖維和維管束逐級放大組裝而成。多尺度增強增韌機制在維持竹節(jié)和竹體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面發(fā)揮了跨尺度協(xié)同作用，該研究將為將為高性能纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化設(shè)計與制備提供指導(dǎo)。
特別感謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院吳恒安教授、工程材料科學(xué)實驗中心龔明教授、生命科學(xué)學(xué)院向成斌教授和沈顯生教授、佐治亞理工學(xué)院孫曉昊博士等人的指導(dǎo)幫助。感謝合肥植物園和Carl Zeiss公司等單位對該工作的支持。該工作受到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金及中國博士后科學(xué)基金等資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwac195
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