藤，是陸地上最長的植物，一般長達100米，最長的可達500米。然而，它的莖直徑不過5厘米，可以說是植物王國里的“瘦長王子”。大量的水和養分通過纖細的藤莖長距離地輸送到眾多的分枝和葉子，以維持正常的生命活動和蒸騰作用，這就要求藤條本身具有獨特的內部結構以進行高效的液體運輸。
對生物材料的深入分析和對結構-功能關系的理解對材料設計具有重要的指導意義。與大多數木本植物一樣，藤條由獨特的有序通道結構和基質(纖維素、半纖維素和木質素)組成。它們通過生物主導的自下而上自組裝生長，最終形成了巧妙的分級多孔結構。這些獨特的多尺度孔結構和相間的長程有序大通道結構賦予藤條令人欽佩的液體輸送效率和儲水能力。與天然生物材料相比，人工合成材料的進步主要是通過開發新的合成結構材料而不是優化現有材料的微觀結構來實現的。因此，從微米到納米尺度的多尺度仿生設計有望開發出意想不到的超結構材料。然而，將藤條的巧妙結構轉化為合成材料是一項具有挑戰性的任務，部分原因是它們復雜的孔結構需要在多個維度(長度、尺度和形態)上復制。
圖1.藤條及其微觀結構
有鑒于此，中山大學材料科學與工程學院翟文濤教授團隊開發了一種新型的一體化設計方法，即氣泡冷凍鑄造技術，用于多尺度長程有序通道結構的構筑。該技術涉及將氣體注入澆鑄溶液中，在冷凍鑄造過程中讓氣體逸出并形成圓柱形氣泡，借助氣泡和冰晶的協同生長來組裝建筑單元。在去除氣泡和冰晶模板后，最終形成藤條仿生結構材料。該工作以題為“Bubble freeze casting artificial rattan”的文章發表在CEJ上。
氣泡的生長模式決定著材料內部的孔隙結構。圖2b展示了氣泡冷凍鑄造過程中氣泡的生長行為。隨著冰晶的生長，氣泡逐漸生長并最終凍結在冰晶內。在氣泡冷凍鑄造過程中，氣泡的頭部始終高于凍結界面，表明氣泡的生長速率始終大于或等于冰晶的生長速率。這種生長速率的差異確保了氣泡不會被生長中的冰晶覆蓋，從而導致生長終止。有趣的是，氣泡被一圈冰晶包圍，這些冰晶高于無氣泡區域的冰晶(圖2d)。氣泡周圍冰晶的優先生長現象歸因于氣泡周圍氣體逸出所引起的吸熱效應(圖2e)。
圖2.人工藤條的構建及其微觀結構
圖3.氣泡冷凍鑄造過程中氣泡的形成和生長機理
為了揭示氣泡的形成機制和生長模式，研究人員使用水作為起始溶液。這是因為水結的冰是透明的，以便于通過光學顯微鏡來觀察氣泡的生長。隨著冰晶的生長，氣體在冰晶的驅動下在凍結界面富集。當濃度達到過飽和時，氣體析出。這些新形成的氣泡將面臨不同的命運。大多數氣泡會變成自由氣泡，在浮力的作用下迅速逃離凍結界面。只有少數靠近冰晶的氣泡被捕獲。
圖4.人工藤條的液體輸送性能
多尺度長程有序通道結構可以實現液體的快速無動力輸送。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內吸附了15.2kg液體。人工藤條的快速液體吸附性能歸因于內部多尺度有序通道的毛細管效應。
