掃描電鏡助力3D仿生金屬含羞草的研究
人類(lèi)很多的發(fā)明靈感都源于自然。例如，人類(lèi)根據(jù)蝙蝠發(fā)射超聲波指路發(fā)明了雷達(dá)，根據(jù)荷葉表面的乳突狀結(jié)構(gòu)發(fā)明了超疏水材料等。仿生學(xué)作為一門(mén)交叉學(xué)科，通過(guò)研究和模擬生物體的結(jié)構(gòu)、功能、行為及其調(diào)控機(jī)制，為工程技術(shù)提供設(shè)計(jì)理念、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成。
含羞草是一種常見(jiàn)的植物，在受到外界觸碰和干擾時(shí)，含羞草會(huì)自動(dòng)閉合它的小葉片，像人“害羞”的狀態(tài)，因此得名含羞草。原理是因含羞草葉柄和小葉柄基部都有一略膨大的囊狀構(gòu)造，稱(chēng)為葉枕，平常葉枕內(nèi)的水分支撐著葉片，但是當(dāng)受到外力刺激時(shí)，葉枕內(nèi)的水分會(huì)立即流向別處，使含羞草的小葉閉合。當(dāng)外部刺激消失時(shí)，水分會(huì)再次流回葉枕，葉片就會(huì)重新打開(kāi)。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所聯(lián)合北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心以含羞草為仿生對(duì)象，利用金屬玻璃材料，制造一種 3D 仿生結(jié)構(gòu)--可開(kāi)合的金屬含羞草。這一科研成果Metallic Mimosa Pudica: A 3D Biomimetic Buckling Structure Made of Metallic Glasses，于 2022 年發(fā)表在 Science Advances 雜志上。
如視頻和圖片所示，金屬含羞草在外部磁場(chǎng)的刺激下，會(huì)自動(dòng)閉合，當(dāng)外部磁場(chǎng)消失后，金屬含羞草會(huì)自動(dòng)打開(kāi)。而且外部磁場(chǎng)在多個(gè)方向作用下，金屬含羞草就像真正的含羞草一樣發(fā)生閉合。
這一 3D 仿生金屬含羞草結(jié)構(gòu)，使用了金屬玻璃材料，首先我們了解一下金屬玻璃是什么。多數(shù)金屬材料原子呈現(xiàn)周期性排列（晶體），但是當(dāng)把金屬加熱到熔融態(tài)（液體）后，其原子排列是混亂的狀態(tài)，之后再快速地冷卻形成固體，其原子排列便和玻璃一樣無(wú)序，因此稱(chēng)之為金屬玻璃。金屬玻璃（Metallic Glasses）又稱(chēng)非晶態(tài)金屬、液體金屬，是在原子尺度上結(jié)構(gòu)無(wú)序的一種金屬材料。
金屬玻璃（合金）與一般多晶的金屬合金相比，原子種類(lèi)相似甚至相同，但是因?yàn)樵油耆靵y排列，因此力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)及化學(xué)性質(zhì)都有不同，特別是由于沒(méi)有晶界存在，強(qiáng)度、韌性、硬度均比多晶金屬要高。尤其是 Fe 基金屬玻璃還具有良好的軟磁性能，具有巨大的應(yīng)用潛力。
而本研究成果中便是采用 24μm 厚、30 mm 寬的 Fe78Si9B13 金屬玻璃條帶作為材料，這種金屬含羞草在磁性控制下的開(kāi)合行為，有望在醫(yī)療器械和電子器件方面得到應(yīng)用，例如血管之間、血管過(guò)濾器和微夾持器等。
此 3D 仿生結(jié)構(gòu)，除了選用具有軟磁性能的金屬玻璃條帶作為材料外，還利用一種重要的表面處理技術(shù)--納秒脈沖激光圖案化技術(shù)，即在材料表面進(jìn)行平行線激光處理，如下圖所示。
激光在樣品表面做圖案處理時(shí)會(huì)誘導(dǎo)結(jié)晶，當(dāng)金屬玻璃發(fā)生局部晶化后，其密度和模量相對(duì)增大，從而實(shí)現(xiàn)晶化區(qū)收縮，金屬玻璃區(qū)受到壓縮力，晶化區(qū)受到拉伸力，使得金屬玻璃區(qū)和晶化區(qū)之間具有合適的尺寸錯(cuò)配，并且樣品沿著晶化線方向和垂直于晶化線方向都表現(xiàn)出屈曲結(jié)構(gòu)，研究人員利用能量最低原理解釋了金屬玻璃仿生 3D 屈曲結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。其原理如下圖所示。
利用磁光克爾顯微鏡觀察的金屬玻璃區(qū)磁疇分布，研究人員并分析了金屬玻璃區(qū)和晶體區(qū)復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)。其結(jié)果如下圖所示。
借助飛納臺(tái)式大倉(cāng)室掃描電鏡 Phenom XL，測(cè)試金屬玻璃正反兩面的結(jié)晶區(qū)條帶的寬度，發(fā)現(xiàn)彎曲結(jié)構(gòu)的曲率半徑受到結(jié)晶條紋和玻璃條紋的線寬比控制，并總結(jié)出制造金屬玻璃仿生 3D 結(jié)構(gòu)形成的適宜條件。如下圖所示，中間兩列分別為金屬玻璃晶化帶正面和反面的電鏡圖片。
同時(shí)借助 Phenom XL 的能譜功能，檢測(cè)到金屬玻璃區(qū)和晶化區(qū)域在成分上分布無(wú)明顯的區(qū)別。如下圖 Phenom XL 能譜面掃結(jié)果顯示，F(xiàn)e、O、Si、B 元素在兩區(qū)分布無(wú)差異。
這一工作通過(guò)采用一步成型、快速激光圖案化方法制造金屬玻璃 3D 屈曲仿生結(jié)構(gòu)，改變材料不同部位的密度和模量，使具有適當(dāng)尺寸錯(cuò)配的金屬玻璃實(shí)現(xiàn) 3D 屈曲結(jié)構(gòu)。這對(duì)開(kāi)發(fā)金屬玻璃的應(yīng)用具有重要的意義，最后也希望飛納臺(tái)式電鏡能夠?yàn)楦嗟目蒲腥酥Α?br />
參考文獻(xiàn)
[1]. Jin-Feng Li, Ivan-V. Soldatov, Xiao-Chang Tang, et al., Metallic Mimosa pudica: A 3D biomimetic buckling structure made of metallic glasses. Sci. Adv. 8, eabm7658 (2022)
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