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  藤，是陸地上最長(zhǎng)的植物，一般長(zhǎng)達(dá)100米，最長(zhǎng)的可達(dá)500米。然而，它的莖直徑不過(guò)5厘米，可以說(shuō)是植物王國(guó)里的“瘦長(zhǎng)王子”。大量的水和養(yǎng)分通過(guò)纖細(xì)的藤莖長(zhǎng)距離地輸送到眾多的分枝和葉子，以維持正常的生命活動(dòng)和蒸騰作用，這就要求藤條本身具有獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以進(jìn)行高效的液體運(yùn)輸。

  對(duì)生物材料的深入分析和對(duì)結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系的理解對(duì)材料設(shè)計(jì)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(dú)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(guò)生物主導(dǎo)的自下而上自組裝生長(zhǎng)，最終形成了巧妙的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)。這些獨(dú)特的多尺度孔結(jié)構(gòu)和相間的長(zhǎng)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(chǔ)水能力。與天然生物材料相比，人工合成材料的進(jìn)步主要是通過(guò)開(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，從微米到納米尺度的多尺度仿生設(shè)計(jì)有望開(kāi)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(xiàng)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(gè)維度(長(zhǎng)度、尺度和形態(tài))上復(fù)制。

圖1.藤條及其微觀結(jié)構(gòu)

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(guò)程中氣泡的形成和生長(zhǎng)機(jī)理

  為了揭示氣泡的形成機(jī)制和生長(zhǎng)模式，研究人員使用水作為起始溶液。這是因?yàn)樗Y(jié)的冰是透明的，以便于通過(guò)光學(xué)顯微鏡來(lái)觀察氣泡的生長(zhǎng)。隨著冰晶的生長(zhǎng)，氣體在冰晶的驅(qū)動(dòng)下在凍結(jié)界面富集。當(dāng)濃度達(dá)到過(guò)飽和時(shí)，氣體析出。這些新形成的氣泡將面臨不同的命運(yùn)。大多數(shù)氣泡會(huì)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(zhǎng)程有序通道結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)液體的快速無(wú)動(dòng)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(xì)管效應(yīng)。