新研究解析出竹節內多級次纖維結構

毛竹憑借較輕的重量、卓越的機械性能和迅速生長等優勢，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。但實際上，在高大筆直的毛竹生存發展進程中，竹節發揮了定點機械支撐強化和流體多向輸運等方面作用。科研人員認為，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結構和“結構-功能”關系仍然不清楚。

竹節空間異質多級次微納纖維結構 中國科大供圖

近日，中國科學院院士、中國科學技術大學教授俞書宏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內的空間多級次纖維組裝結構。相關成果發表于《國家科學評論》。

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、空間三軸互垂腳手架連接和各向同性吸能交織在內的三種纖維增強結構設計方案，為今后開展仿生纖維復合結構材料的創制研究提供新的設計方案。

此外，研究人員還運用三維X射線計算機斷層掃描術，發現竹節內多向排布的多級次纖維可實現液體輸運交換，并證實了多級次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特征，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，該研究將為高性能纖維復合結構材料的優化設計與制備提供指導。

相關論文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwac195