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近日，中國科學技術大學研究團隊運用多尺度成像和多模態(tài)力學性能研究的協(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(chuàng)制研究提供最優(yōu)的設計方案。相關成果發(fā)表于《國家科學評論》。

毛竹具有生長快、重量輕、機械性能強等，不僅是使用歷史悠久的傳統(tǒng)材料，也是現(xiàn)代材料學研究的重要對象。毛竹的主干可分為竹節(jié)和竹間。分段的管狀竹間占據(jù)了竹子的主體，在機械支持毛竹生長方面發(fā)揮著關鍵作用。竹間的天然單向纖維排布結構具有優(yōu)良機械性能，使其廣泛應用于各個行業(yè)。然而，與竹間相比，竹節(jié)在工程上的應用似乎很薄弱，因此在加工過程中經(jīng)常被遺棄。

在毛竹的生長過程中，竹節(jié)具有橫向流體交換和定點機械加固的功能，對竹子的生存同樣有著關鍵作用。這種多功能的實現(xiàn)與竹節(jié)的結構密切相關，然而目前有關竹節(jié)的空間纖維構造和構效關系仍然模糊不清。

為研究竹節(jié)內部的空間結構，研究團隊運用光學顯微鏡、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表征手段對于竹節(jié)空間異質的多級次纖維(維管束)結構排列情況進行成像，識別了它們的空間布局和互通性。在此基礎上，研究人員提出了三種纖維增強結構設計方案，包括位于竹節(jié)壁的空間纖維保型性緊密互鎖，位于竹節(jié)壁與隔膜的過渡區(qū)的空間三軸互垂腳手架連接，以及位于隔膜中心區(qū)的各向同性吸能交織。該研究將為將為高性能纖維復合結構材料的優(yōu)化設計與制備提供指導。

此外，運用三維X射線計算機斷層掃描術，研究人員還發(fā)現(xiàn)竹節(jié)內多向排布的維管束纖維可實現(xiàn)液體輸運交換，證實了維管束纖維結構增強和液體輸運的一體化設計。研究人員仿照這一結構設計了具有良好結構穩(wěn)定性和蒸發(fā)效能的光熱水蒸發(fā)裝置。

(資料來源：中國科學技術大學)

關鍵詞： 研究人員 設計方案 中國科學技術大學