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毛竹憑借較輕的重量、卓越的機(jī)械性能和迅速生長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為替代木材和化學(xué)合成品的一種可持續(xù)資源。與竹間相比，短小的竹節(jié)似乎機(jī)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(shí)際上，在高大筆直的毛竹生存發(fā)展進(jìn)程中，竹節(jié)發(fā)揮了定點(diǎn)機(jī)械支撐強(qiáng)化和流體多向輸運(yùn)等方面作用?？蒲腥藛T認(rèn)為，這種雙功能或多功能的實(shí)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)的空間纖維結(jié)構(gòu)和“結(jié)構(gòu)-功能”關(guān)系仍然不清楚。

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)運(yùn)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)內(nèi)的空間多級(jí)次纖維組裝結(jié)構(gòu)。相關(guān)成果發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》。

基于結(jié)構(gòu)新發(fā)現(xiàn)，研究人員進(jìn)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(nèi)的三種纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，為今后開展仿生纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的創(chuàng)制研究提供新的設(shè)計(jì)方案。

此外，研究人員還運(yùn)用三維X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描術(shù)，發(fā)現(xiàn)竹節(jié)內(nèi)多向排布的多級(jí)次纖維可實(shí)現(xiàn)液體輸運(yùn)交換，并證實(shí)了多級(jí)次纖維結(jié)構(gòu)增強(qiáng)和液體輸運(yùn)的一體化設(shè)計(jì)。受此多功能集成的啟發(fā)，設(shè)計(jì)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(xiàng)研究運(yùn)用了實(shí)驗(yàn)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)特征，提煉并驗(yàn)證了三種纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)方案。這些纖維增強(qiáng)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(jí)放大組裝而成。多尺度增強(qiáng)增韌機(jī)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，該研究將為高性能纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制備提供指導(dǎo)。(記者 陳牧)