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科研进展

2022年10月10日
中国科大在竹节的多级纤维构造解析研究中取得新进展

毛竹凭借较轻的重量、卓越的机械性能和迅速的生长等优势,逐渐成为替代木材和化学合成品的一种可持续资源。与具有纤维单向排布结构的竹间相比,短小的竹节似乎机械性能较为薄弱,其在工程纤维层合板加工中往往被废弃。在高大笔直的毛竹的生存发展进程中,占比不大的竹节将发挥定点机械支撑强化和流体多向输运等方面作用。这种双功能或多功能的实现必然与竹节内部结构紧密相关,然而目前有关竹节的空间纤维构造和构效关系仍然模糊不清。

鉴于此,中国科学技术大学俞书宏院士团队运用多尺度成像和多模态力学性能研究的协同策略,系统分析并明确了竹节的空间多级次纤维组装结构,提出了三种纤维增强结构的设计方案,为今后开展仿生纤维复合结构材料的创制研究提供最优的设计方案。此外,还实验验证了竹节结构增强和液体输运的一体化设计方案,并据此构筑了一种基于竹节的光热水蒸发装置。近期以“Mechanically robust bamboo node and its hierarchically fibrous structural design”为题发表在《国家科学评论》上(National Science Review2022,doi: 10.1093/nsr/nwac195)。论文第一作者为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。

研究人员运用光学显微镜、三维X射线计算机断层扫描及重构技术、扫描电子显微镜和原子力显微镜等成像表征手段,探明了竹节内空间异质的多级次纤维(维管束)结构排列情况(图1a-b),并识别了它们的空间布局和互通性。基于结构新发现,研究人员进一步提出了包括空间纤维保型性紧密互锁(位于竹节壁,图1c)、空间三轴互垂脚手架连接(位于竹节壁与隔膜的过渡区,图1d)和各向同性吸能交织(位于隔膜中心区,图1e)在内的三种纤维增强结构设计方案。

图1.竹节空间异质多级次微纳纤维结构

在拱形径向压缩(图2a-c)、单向轴向压缩(图2d-f)、轴向劈裂(图2g-i)等不同模态载荷作用下,研究人员研究了竹节中环向纤维束(位于竹节壁和隔膜的过渡区,图2b-c)和横穿纤维(位于竹节壁,图2e,h)等几种关键纤维的结构演变和破坏情况。进一步结合三维X射线计算机断层扫描和微裂纹重构技术以及理论模拟分析(图2b-c,e-f,h-i),验证了几种关键纤维和纤维增强结构设计方案在维持竹节和竹体结构稳定性方面的重要贡献。

图2.竹节多模态力学研究与关键纤维的增强增韧作用

研究人员还运用三维X射线计算机断层扫描术,实验发现竹节内多向排布的维管束纤维可实现液体输运交换,并证实了维管束纤维结构增强和液体输运的一体化设计。受此多功能集成的启发,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。

这项研究运用了实验和理论相结合的手段,详细解析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。这些纤维增强结构由纤维素分子、纳米晶体、纳米纤维、微纤维和维管束逐级放大组装而成。多尺度增强增韧机制在维持竹节和竹体结构稳定性方面发挥了跨尺度协同作用,该研究将为将为高性能纤维复合结构材料的优化设计与制备提供指导。

特别感谢中国科学技术大学工程科学学院吴恒安教授、工程材料科学实验中心龚明教授、生命科学学院向成斌教授和沈显生教授、佐治亚理工学院孙晓昊博士等人的指导帮助。感谢合肥植物园和Carl Zeiss公司等单位对该工作的支持。该工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金及中国博士后科学基金等资助。

论文链接:

https://doi.org/10.1093/nsr/nwac195

(合肥微尺度物质科学国家研究中心、化学与材料科学学院、科研部)

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