掃描電鏡助力3D仿生金屬含羞草的研究
人類很多的發明靈感都源于自然。例如，人類根據蝙蝠發射超聲波指路發明了雷達，根據荷葉表面的乳突狀結構發明了超疏水材料等。仿生學作為一門交叉學科，通過研究和模擬生物體的結構、功能、行為及其調控機制，為工程技術提供設計理念、工作原理和系統構成。
含羞草是一種常見的植物，在受到外界觸碰和干擾時，含羞草會自動閉合它的小葉片，像人“害羞”的狀態，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造，稱為葉枕，平常葉枕內的水分支撐著葉片，但是當受到外力刺激時，葉枕內的水分會立即流向別處，使含羞草的小葉閉合。當外部刺激消失時，水分會再次流回葉枕，葉片就會重新打開。
中國科學院物理研究所聯合北京凝聚態物理國家研究中心以含羞草為仿生對象，利用金屬玻璃材料，制造一種 3D 仿生結構--可開合的金屬含羞草。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的刺激下，會自動閉合，當外部磁場消失后，金屬含羞草會自動打開。而且外部磁場在多個方向作用下，金屬含羞草就像真正的含羞草一樣發生閉合。
這一 3D 仿生金屬含羞草結構，使用了金屬玻璃材料，首先我們了解一下金屬玻璃是什么。多數金屬材料原子呈現周期性排列（晶體），但是當把金屬加熱到熔融態（液體）后，其原子排列是混亂的狀態，之后再快速地冷卻形成固體，其原子排列便和玻璃一樣無序，因此稱之為金屬玻璃。金屬玻璃（Metallic Glasses）又稱非晶態金屬、液體金屬，是在原子尺度上結構無序的一種金屬材料。
金屬玻璃（合金）與一般多晶的金屬合金相比，原子種類相似甚至相同，但是因為原子完全混亂排列，因此力學、電學、磁學及化學性質都有不同，特別是由于沒有晶界存在，強度、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合行為，有望在醫療器械和電子器件方面得到應用，例如血管之間、血管過濾器和微夾持器等。
此 3D 仿生結構，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--納秒脈沖激光圖案化技術，即在材料表面進行平行線激光處理，如下圖所示。
激光在樣品表面做圖案處理時會誘導結晶，當金屬玻璃發生局部晶化后，其密度和模量相對增大，從而實現晶化區收縮，金屬玻璃區受到壓縮力，晶化區受到拉伸力，使得金屬玻璃區和晶化區之間具有合適的尺寸錯配，并且樣品沿著晶化線方向和垂直于晶化線方向都表現出屈曲結構，研究人員利用能量最低原理解釋了金屬玻璃仿生 3D 屈曲結構的形成機制。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磁疇分布，研究人員并分析了金屬玻璃區和晶體區復合結構內應力狀態。其結果如下圖所示。
借助飛納臺式大倉室掃描電鏡 Phenom XL，測試金屬玻璃正反兩面的結晶區條帶的寬度，發現彎曲結構的曲率半徑受到結晶條紋和玻璃條紋的線寬比控制，并總結出制造金屬玻璃仿生 3D 結構形成的適宜條件。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。
同時借助 Phenom XL 的能譜功能，檢測到金屬玻璃區和晶化區域在成分上分布無明顯的區別。如下圖 Phenom XL 能譜面掃結果顯示，Fe、O、Si、B 元素在兩區分布無差異。
這一工作通過采用一步成型、快速激光圖案化方法制造金屬玻璃 3D 屈曲仿生結構，改變材料不同部位的密度和模量，使具有適當尺寸錯配的金屬玻璃實現 3D 屈曲結構。這對開發金屬玻璃的應用具有重要的意義，最后也希望飛納臺式電鏡能夠為更多的科研人助力。
參考文獻
[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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