含羞草实验研究所,(含羞草研究中心)

2023年11月2日08:01:116,034

自然界中的许多奇妙现象和生物体的特性激发了人类的创造力,促使人们从中汲取灵感并应用于科技领域。例如,人们通过研究蝙蝠发射超声波来导航的能力,发明了雷达技术,这使得人类能够在黑暗或远距离环境中探测和定位目标。此外,人们还通过观察荷叶表面的乳突状结构,发明了超疏水材料,使得物体表面能够抵抗水的湿润,具有自洁和防污的功能。

仿生学作为一门交叉学科,致力于研究和模拟生物体的结构、功能、行为及其调控机制,为工程技术提供设计理念、工作原理和系统构成。通过深入研究生物体的优秀特性和适应能力,人们可以从中获得启示,将其应用于工程领域,创造出更加高效、智能和环保的技术和产品。仿生学的应用领域广泛,涵盖了建筑、航空航天、医学、材料科学等多个领域。通过借鉴自然界的智慧,人类可以不断创新,推动科技的发展,为人类社会带来更多的福祉。

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含羞草是一种常见的植物,当受到外界触碰和干扰时,它会自动闭合小叶片,就像人们“害羞”的状态一样,因此得名含羞草。这种现象的原理是含羞草的叶柄和小叶柄基部都有一个略膨大的囊状结构,称为叶枕。平时,叶枕内的水分支撑着叶片,使其保持张开状态。但是,当受到外力刺激时,叶枕内的水分会迅速流向其他地方,导致含羞草的小叶闭合。一旦外部刺激消失,水分会重新流回叶枕,叶片就会重新打开。

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中国科学院物理研究所和北京凝聚态物理国家研究中心联合开展了一项研究,以含羞草为仿生对象,利用金属玻璃材料成功制造了一种可开合的金属含羞草的3D仿生结构。这项研究成果被发表在2022年的Science Advances杂志上,题为《金属含羞草:一种由金属玻璃制成的3D仿生屈曲结构》。

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根据视频和图片所示,金属含羞草在受到外部磁场的刺激时会自动闭合,而当外部磁场消失时会自动打开。此外,当外部磁场从多个方向作用时,金属含羞草就像真正的含羞草一样闭合。

这个3D仿生金属含羞草结构采用了金属玻璃材料,我们先来了解一下金属玻璃是什么。通常情况下,大多数金属材料的原子呈现周期性排列,形成晶体结构。但是当金属被加热到熔化状态后,原子的排列会变得混乱无序。然后,通过快速冷却,金属会形成一种无序排列的固体结构,类似于玻璃的无序结构,因此被称为金属玻璃。金属玻璃,也被称为非晶态金属或液体金属,是一种在原子尺度上结构无序的金属材料。

与一般多晶金属合金相比,金属玻璃(合金)的原子种类相似甚至相同,但是由于原子的完全混乱排列,其力学、电学、磁学及化学性质都有所不同。特别值得注意的是,金属玻璃(合金)由于没有晶界存在,因此在强度、韧性和硬度方面都表现出更高的水平。此外,Fe基金属玻璃还具备出色的软磁性能,这为其在各个领域的应用提供了巨大的潜力。

在这项研究中,我们使用了一种厚度为24μm、宽度为30mm的Fe78Si9B13金属玻璃条带作为材料。这种金属玻璃条带在磁性控制下具有开合行为,这一特性有望在医疗器械和电子器件领域得到广泛应用。例如,它可以用于血管之间的连接、血管过滤器和微夹持器等应用。这些应用将为医疗行业和电子行业带来许多新的可能性。

这个 3D 仿生结构的设计使用了金属玻璃条带作为材料,这种材料具有软磁性能。除此之外,还采用了一种重要的表面处理技术,即纳秒脉冲激光图案化技术。这种技术通过在材料表面进行平行线激光处理,如下图所示。

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激光在样品表面进行图案处理时,会引发局部晶化现象。当金属玻璃发生局部晶化后,其密度和模量会相对增大,导致晶化区域收缩,金属玻璃区域受到压缩力,而晶化区域则受到拉伸力。这样,金属玻璃区域和晶化区域之间会出现适当的尺寸错配。同时,样品沿着晶化线方向和垂直于晶化线方向都会呈现出屈曲结构。研究人员通过能量最低原理解释了金属玻璃仿生3D屈曲结构的形成机制。下图展示了该原理的示意图。

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研究人员利用磁光克尔显微镜对金属玻璃区的磁畴分布进行了观察,并对金属玻璃区和晶体区复合结构内的应力状态进行了分析。下图展示了他们的研究结果。

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利用飞纳台式大仓室扫描电镜Phenom XL,我们对金属玻璃的正反两面的结晶区条带宽度进行了测试。通过观察,我们发现弯曲结构的曲率半径受到结晶条纹和玻璃条纹的线宽比的控制。根据我们的研究,我们总结出了制造金属玻璃仿生3D结构的适宜条件。下图展示了金属玻璃晶化带正面和反面的电镜图片,中间两列分别对应着这两个面。

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利用Phenom XL的能谱功能,我们发现金属玻璃区和晶化区域在成分上没有明显的区别。通过Phenom XL的能谱面扫描结果显示,Fe、O、Si、B元素在这两个区域的分布没有差异。

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为了制造金属玻璃的3D屈曲仿生结构,我们采用了一种快速激光图案化方法,通过一步成型的方式完成。这种方法可以改变金属玻璃不同部位的密度和模量,从而实现具有适当尺寸错配的3D屈曲结构。这项工作对于金属玻璃应用的开发具有重要意义,同时也希望我们的飞纳台式电镜能够为更多科研人员提供帮助。

参考文献

[1]. Li, J.-F., Soldatov, I.-V., Tang, X.-C., et al. (2022). Metallic Mimosa pudica: A 3D biomimetic buckling structure made of metallic glasses. Scientific Advances, 8, eabm7658.

In this study, Li et al. introduce a fascinating biomimetic structure called Metallic Mimosa pudica, which is made using metallic glasses. The structure is inspired by the Mimosa pudica plant, commonly known as the sensitive plant, which folds its leaves in response to external stimuli.

The researchers successfully replicated the folding mechanism of the plant by designing a 3D buckling structure using metallic glasses. Metallic glasses are unique materials with an amorphous atomic structure, providing them with exceptional mechanical properties.

The Metallic Mimosa pudica structure exhibits remarkable properties, such as high strength, flexibility, and shape memory effect. It can undergo reversible folding and unfolding motions, similar to the plant it is inspired by.

The study not only demonstrates the potential of metallic glasses in creating biomimetic structures but also opens up new possibilities for the development of advanced materials with unique properties. The Metallic Mimosa pudica structure could find applications in various fields, including robotics, aerospace, and flexible electronics.

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