Элегантная иерархическая организация волокон в узле бамбука
В исследовании, опубликованном в National Science Review, ученые использовали многоуровневые методы визуализации (оптический микроскоп, рентгеновский микроскоп (микро-КТ), сканирующий электронный микроскоп, атомно-силовой микроскоп) для характеристики волокнистой микроструктуры короткого узла бамбука. Результаты показали, что узел можно рассматривать как пространственно гетерогенный и иерархический волокнистый композит.
Узел состоит из трех частей:
Разные части демонстрируют разное расположение волокон, что отражает способность биологических материалов оптимально распределять ограниченные ресурсы для противодействия внешним воздействиям.
На основе структуры узла предложены три схемы армирования волокнами:
- Пространственно сцепленная структура в стебле узла.
- Трехосная взаимосвязанная каркасная структура в переходной зоне.
- Изотропная переплетенная структура в центральной диафрагме.
Эффективность структур для механического усиления была проверена с помощью мультимодальных механических испытаний (сжатие, трехточечный изгиб, раскалывание) и моделирования (метод конечных элементов).
Ключевыми для стабильности и усиления оказались:
- Поперечные и раздвоенные волокна (сцепленные с осевыми) в стебле узла.
- Окружные волокна в переходной зоне.
Они обеспечивают элегантные механизмы упрочнения и повышения вязкости: вытягивание и сшивание волокон, отклонение и остановка трещин. Эти находки важны для проектирования композитных материалов и соединений разнородных структур.
Многонаправленные волокна не только армируют конструкцию, но и образуют иерархические поры или каналы для транспорта жидкости. Ученые использовали это свойство, создав на основе узла бамбука устройство для испарения воды с высокой структурной стабильностью и отличной производительностью. Такое устройство может помочь в решении проблемы нехватки пресной воды.
Эта работа расширяет понимание природных биологических материалов и имеет значение для разработки передовых волокнистых структур и применения биомассы.