毛竹以其轻盈的体重、出色的机械特性和迅速的成长速度，已然成为了可持续资源，并逐步替代了木材与化学合成品。在比较中，尽管短小的竹节常被误认为是具有较为薄弱的机械性能的结构，但其在高大的毛竹的生长中，其实占据着至关重要的角色。
竹节在机械支撑和流体多向输运等方面，发挥着不可忽视的作用。尽管其占整体比例不大，但其内部结构却具有双重或多重的功能。关于竹节的空间纤维构造及其与功能的关系，至今仍未能完全明确。
为了探究这一未知领域，研究人员采用了光学显微镜、三维X射线计算机断层扫描、扫描电子显微镜以及原子力显微镜等先进的成像表征手段。他们成功揭示了竹节内空间异质的多级次纤维（维管束）结构的排列情况（如图1所示），并进一步明确了它们的空间布局和互通性。
基于这些新发现，研究人员提出了三种纤维增强结构的设计方案，包括空间纤维保型性紧密互锁（位于竹节壁）、空间三轴互垂脚手架连接（位于竹节壁与隔膜的过渡区）以及各向吸能交织（位于隔膜中心区）。
图1展示了竹节空间异质多级次微纳纤维结构的图像。
他们还对竹节在拱形径向压缩、单向轴向压缩以及轴向劈裂等不同模态载荷下的响应进行了研究。特别是在环向纤维束和横穿纤维等关键纤维的结构演变和情况方面，进行了深入探讨。结合三维X射线计算机断层扫描和微裂纹重构技术以及理论模拟分析，验证了纤维增强结构设计方案在维持竹节和竹体结构稳定性方面的重要作用。
图2则展示了竹节多模态力学研究与关键纤维的增强增韧作用的图像。
研究人员还发现竹节内多向排布的维管束纤维能够实现液体的输运交换。这一发现证实了维管束纤维结构增强和液体输运的一体化设计理念。受此启发，团队设计了一种基于竹节的光热水蒸发装置，该装置表现出了良好的结构稳定性和蒸发效能。
这项研究综合了实验与理论分析手段，对竹节内复杂的纤维结构进行了详细解析，并验证了三种纤维增强结构方案的有效性。这些增强结构由纤维素分子逐级放大至维管束组装而成。多尺度的增强增韧机制在维持竹节及整体结构稳定性方面发挥了协同作用。这项研究将为高性能纤维复合结构材料的优化设计与制备提供重要参考。
衷心感谢吴恒安教授、龚明教授、向成斌教授、沈显生教授以及孙晓昊博士等人的宝贵指导和帮助。同时感谢合肥植物园和Carl Zeiss公司等单位对本研究的支持。此工作得到了重点研发计划、自然科学及博士后科学的资助。
论文链接:
/10.1093/nsr/nwac195