毛竹憑借較輕的重量、卓越的機械性能和迅速的生長等優勢，逐漸成為替代木材和化學合成品的一種可持續資源。與具有纖維單向排布結構的竹間相比，短小的竹節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展進程中，占比不大的竹節將發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必然與竹節內部結構緊密相關，然而目前有關竹節的空間纖維構造和構效關系仍然模糊不清。
鑒于此，中國科學技術大學俞書宏院士團隊運用多尺度成像和多模態力學性能研究的協同策略，系統分析并明確了竹節的空間多級次纖維組裝結構，提出了三種纖維增強結構的設計方案，為今后開展仿生纖維復合結構材料的創制研究提供最優的設計方案。此外，還實驗驗證了竹節結構增強和液體輸運的一體化設計方案，并據此構筑了一種基于竹節的光熱水蒸發裝置。近期以“Mechanically robust bamboo node and its hierarchically fibrous structural design”為題發表在《國家科學評論》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】
研究人員運用光學顯微鏡、三維X射線計算機斷層掃描及重構技術、掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡等成像表征手段，探明了竹節內空間異質的多級次纖維（維管束）結構排列情況（圖1a-b），并識別了它們的空間布局和互通性。基于結構新發現，研究人員進一步提出了包括空間纖維保型性緊密互鎖（位于竹節壁，圖1c）、空間三軸互垂腳手架連接（位于竹節壁與隔膜的過渡區，圖1d）和各向同性吸能交織（位于隔膜中心區，圖1e）在內的三種纖維增強結構設計方案。
圖1.竹節空間異質多級次微納纖維結構
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）等不同模態載荷作用下，研究人員研究了竹節中環向纖維束（位于竹節壁和隔膜的過渡區，圖2b-c）和橫穿纖維（位于竹節壁，圖2e,h）等幾種關鍵纖維的結構演變和破壞情況。進一步結合三維X射線計算機斷層掃描和微裂紋重構技術以及理論模擬分析（圖2b-c,e-f,h-i），驗證了幾種關鍵纖維和纖維增強結構設計方案在維持竹節和竹體結構穩定性方面的重要貢獻。
圖2.竹節多模態力學研究與關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，實驗發現竹節內多向排布的維管束纖維可實現液體輸運交換，并證實了維管束纖維結構增強和液體輸運的一體化設計。受此多功能集成的啟發，設計了一種基于竹節的光熱水蒸發裝置，該裝置表現出良好的結構穩定性和蒸發效能。
這項研究運用了實驗和理論相結合的手段，詳細解析了竹節內復雜的纖維結構，提煉并驗證了三種纖維增強結構方案。這些纖維增強結構由纖維素分子、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和竹體結構穩定性方面發揮了跨尺度協同作用，該研究將為將為高性能纖維復合結構材料的優化設計與制備提供指導。
特別感謝中國科學技術大學工程科學學院吳恒安教授、工程材料科學實驗中心龔明教授、生命科學學院向成斌教授和沈顯生教授、佐治亞理工學院孫曉昊博士等人的指導幫助。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計劃、國家自然科學基金及中國博士后科學基金等資助。
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https://doi.org/10.1093/nsr/nwac195
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