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

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。

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。

[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)