扫描电镜助力 3D 仿生金属含羞草的研究,科研成果发表在 Science Advances

2022-11-04 10:18:08, Phenom 复纳科学仪器(上海)有限公司



人类很多的发明灵感都源于自然。例如,人类根据蝙蝠发射超声波指路发明了雷达,根据荷叶表面的乳突状结构发明了超疏水材料等。仿生学作为一门交叉学科,通过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。




含羞草是一种常见的植物,在受到外界触碰和干扰时,含羞草会自动闭合它的小叶片,像人“害羞”的状态,因此得名含羞草。原理是因含羞草叶柄和小叶柄基部都有一略膨大的囊状构造,称为叶枕,平常叶枕内的水分支撑着叶片,但是当受到外力刺激时,叶枕内的水分会立即流向别处,使含羞草的小叶闭合。当外部刺激消失时,水分会再次流回叶枕,叶片就会重新打开。







中国科学院物理研究所联合北京凝聚态物理国家研究中心以含羞草为仿生对象,利用金属玻璃材料,制造一种 3D 仿生结构--可开合的金属含羞草。这一科研成果Metallic Mimosa Pudica: A 3D Biomimetic Buckling Structure Made of Metallic Glasses,于 2022 年发表在 Science Advances 杂志上。



如视频和图片所示,金属含羞草在外部磁场的刺激下,会自动闭合,当外部磁场消失后,金属含羞草会自动打开。而且外部磁场在多个方向作用下,金属含羞草就像真正的含羞草一样发生闭合。


这一 3D 仿生金属含羞草结构,使用了金属玻璃材料,首先我们了解一下金属玻璃是什么。多数金属材料原子呈现周期性排列(晶体),但是当把金属加热到熔融态(液体)后,其原子排列是混乱的状态,之后再快速地冷却形成固体,其原子排列便和玻璃一样无序,因此称之为金属玻璃。金属玻璃(Metallic Glasses)又称非晶态金属、液体金属,是在原子尺度上结构无序的一种金属材料。


金属玻璃(合金)与一般多晶的金属合金相比,原子种类相似甚至相同,但是因为原子完全混乱排列,因此力学、电学、磁学及化学性质都有不同,特别是由于没有晶界存在,强度、韧性、硬度均比多晶金属要高。尤其是 Fe 基金属玻璃还具有良好的软磁性能,具有巨大的应用潜力。


而本研究成果中便是采用 24μm 厚、30 mm 宽的 Fe78Si9B13 金属玻璃条带作为材料,这种金属含羞草在磁性控制下的开合行为,有望在医疗器械和电子器件方面得到应用,例如血管之间、血管过滤器和微夹持器等。


此 3D 仿生结构,除了选用具有软磁性能的金属玻璃条带作为材料外,还利用一种重要的表面处理技术--纳秒脉冲激光图案化技术,即在材料表面进行平行线激光处理,如下图所示。


激光在样品表面做图案处理时会诱导结晶,当金属玻璃发生局部晶化后,其密度和模量相对增大,从而实现晶化区收缩,金属玻璃区受到压缩力,晶化区受到拉伸力,使得金属玻璃区和晶化区之间具有合适的尺寸错配,并且样品沿着晶化线方向和垂直于晶化线方向都表现出屈曲结构,研究人员利用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。其原理如下图所示。



利用磁光克尔显微镜观察的金属玻璃区磁畴分布,研究人员并分析了金属玻璃区和晶体区复合结构内应力状态。其结果如下图所示。



借助飞纳台式大仓室扫描电镜 Phenom XL,测试金属玻璃正反两面的结晶区条带的宽度,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控制,并总结出制造金属玻璃仿生 3D 结构形成的适宜条件。如下图所示,中间两列分别为金属玻璃晶化带正面和反面的电镜图片。



同时借助 Phenom XL 的能谱功能,检测到金属玻璃区和晶化区域在成分上分布无明显的区别。如下图 Phenom XL 能谱面扫结果显示,Fe、O、Si、B 元素在两区分布无差异。



这一工作通过采用一步成型、快速激光图案化方法制造金属玻璃 3D 屈曲仿生结构,改变材料不同部位的密度和模量,使具有适当尺寸错配的金属玻璃实现 3D 屈曲结构。这对开发金属玻璃的应用具有重要的意义,最后也希望飞纳台式电镜能够为更多的科研人助力。

Reference

参考文献

[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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