藤，是陸地上最長的植物，一般長達100米，最長的可達500米。然而，它的莖直徑不過5厘米，可以說是植物王國里的“瘦長王子”。大量的水和養(yǎng)分通過纖細的藤莖長距離地輸送到眾多的分枝和葉子，以維持正常的生命活動和蒸騰作用，這就要求藤條本身具有獨特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以進行高效的液體運輸。
對生物材料的深入分析和對結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系的理解對材料設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。與大多數(shù)木本植物一樣，藤條由獨特的有序通道結(jié)構(gòu)和基質(zhì)(纖維素、半纖維素和木質(zhì)素)組成。它們通過生物主導(dǎo)的自下而上自組裝生長，最終形成了巧妙的分級多孔結(jié)構(gòu)。這些獨特的多尺度孔結(jié)構(gòu)和相間的長程有序大通道結(jié)構(gòu)賦予藤條令人欽佩的液體輸送效率和儲水能力。與天然生物材料相比，人工合成材料的進步主要是通過開發(fā)新的合成結(jié)構(gòu)材料而不是優(yōu)化現(xiàn)有材料的微觀結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。因此，從微米到納米尺度的多尺度仿生設(shè)計有望開發(fā)出意想不到的超結(jié)構(gòu)材料。然而，將藤條的巧妙結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為合成材料是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，部分原因是它們復(fù)雜的孔結(jié)構(gòu)需要在多個維度(長度、尺度和形態(tài))上復(fù)制。
圖1.藤條及其微觀結(jié)構(gòu)
有鑒于此，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院翟文濤教授團隊開發(fā)了一種新型的一體化設(shè)計方法，即氣泡冷凍鑄造技術(shù)，用于多尺度長程有序通道結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。該技術(shù)涉及將氣體注入澆鑄溶液中，在冷凍鑄造過程中讓氣體逸出并形成圓柱形氣泡，借助氣泡和冰晶的協(xié)同生長來組裝建筑單元。在去除氣泡和冰晶模板后，最終形成藤條仿生結(jié)構(gòu)材料。該工作以題為“Bubble freeze casting artificial rattan”的文章發(fā)表在CEJ上。
氣泡的生長模式?jīng)Q定著材料內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)。圖2b展示了氣泡冷凍鑄造過程中氣泡的生長行為。隨著冰晶的生長，氣泡逐漸生長并最終凍結(jié)在冰晶內(nèi)。在氣泡冷凍鑄造過程中，氣泡的頭部始終高于凍結(jié)界面，表明氣泡的生長速率始終大于或等于冰晶的生長速率。這種生長速率的差異確保了氣泡不會被生長中的冰晶覆蓋，從而導(dǎo)致生長終止。有趣的是，氣泡被一圈冰晶包圍，這些冰晶高于無氣泡區(qū)域的冰晶(圖2d)。氣泡周圍冰晶的優(yōu)先生長現(xiàn)象歸因于氣泡周圍氣體逸出所引起的吸熱效應(yīng)(圖2e)。
圖2.人工藤條的構(gòu)建及其微觀結(jié)構(gòu)
圖3.氣泡冷凍鑄造過程中氣泡的形成和生長機理
為了揭示氣泡的形成機制和生長模式，研究人員使用水作為起始溶液。這是因為水結(jié)的冰是透明的，以便于通過光學(xué)顯微鏡來觀察氣泡的生長。隨著冰晶的生長，氣體在冰晶的驅(qū)動下在凍結(jié)界面富集。當(dāng)濃度達到過飽和時，氣體析出。這些新形成的氣泡將面臨不同的命運。大多數(shù)氣泡會變成自由氣泡，在浮力的作用下迅速逃離凍結(jié)界面。只有少數(shù)靠近冰晶的氣泡被捕獲。
圖4.人工藤條的液體輸送性能
多尺度長程有序通道結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)液體的快速無動力輸送。如圖4所示，具有多尺度有序微通道的人工藤條表現(xiàn)出最快的液體輸送速度，僅 2s即可完成將液體吸收至 20mm 的高度，即每平方米人工藤條在2s內(nèi)吸附了15.2kg液體。人工藤條的快速液體吸附性能歸因于內(nèi)部多尺度有序通道的毛細管效應(yīng)。
