竹节：高雅的多级纤维构造

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毛竹具有轻量、速生、挺拔等特点，正逐渐成为替代木材和化学合成品的一种可持续资源。与竹壁相比，短小的竹节在加工中往往被忽视。竹节虽占比小，但在助力竹体稳定生存中发挥着关键作用，具有机械加固、流体输运等多种功能。功能源于结构，但我们对竹节的微结构和构效关系仍缺乏关键认知。

近日，中国科学技术大学俞书宏院士领导的仿生材料团队运用多尺度成像与力学研究相结合的策略，系统阐述了竹节的空间多级纤维的组装结构，并提出三种纤维增强结构的设计方案，为今后开展仿生纤维复合结构材料的创制研究提供了优化设计方案。研究成果以“Mechanically robust bamboo node and its hierarchically fibrous structural design”为题发表在《国家科学评论》上（National Science Review 2022, doi: 10.1093/nsr/nwac195）。论文第一作者为陈思铭特任副研究员和张思超博士，通讯作者为高怀岭特任教授和俞书宏院士。

研究人员首先运用光学显微镜、X射线断层扫描、扫描电子显微镜和原子力显微镜等多尺度成像手段，探明了竹节复杂的纤维排列布局（图1a-b）。基于结构发现，研究人员提炼出了包括纤维紧密互锁（节壁处，图1c）、空间脚手架连接（节壁与隔膜的过渡区处，图1d）和各向同性交织（隔膜中心处，图1e）在内的三种纤维增强的结构方案。

图1. 竹节多级次微纳纤维结构

在径向拱形压缩（图2a-c）、单向轴向压缩（图2d-f）、轴向劈裂（图2g-i）等多模态载荷作用下，研究人员着重分析了竹节环向纤维（节壁和隔膜过渡区处，图2b-c）和横穿纤维（节壁处，图2e, h）等几种关键纤维的结构破坏演变。进一步结合X射线断层扫描重构与模拟分析（图2b-c, e-f, h-i），验证了几种纤维增强结构方案在维持竹体结构稳定中的贡献。