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  探索天然生物材料結(jié)構(gòu)-功能機(jī)理而設(shè)計(jì)制備仿生材料已成為新材料領(lǐng)域的研究前沿。作為地球上生命起源之地，海洋占據(jù)了地表71%的面積，蘊(yùn)藏著豐饒的然而絕大部分還未被開發(fā)研究的生物資源。一方面，海洋資源的探索與開發(fā)取決于先進(jìn)材料的研發(fā)與突破；另一方面，該研究創(chuàng)新性提出天然海洋生物為適應(yīng)海洋環(huán)境而進(jìn)化形成的結(jié)構(gòu)材料可為研發(fā)海洋設(shè)備用材料提供極有價(jià)值的指導(dǎo)信息，即“取之于海，用之于�！�，為開發(fā)海洋環(huán)境先進(jìn)復(fù)合材料提供新的研發(fā)思路。

  近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院人體組織與器官退行性研究中心在海洋生物材料及仿生研究方面取得新進(jìn)展，為仿生高性能復(fù)合材料研發(fā)提供新的設(shè)計(jì)與制備思路，該研究成果以Lessons from the ocean: whale baleen fracture resistance（《源自海洋的設(shè)計(jì)理念：鯨須的抗斷裂性》）為題發(fā)表于材料期刊Advanced Materials（《先進(jìn)材料》），論文第一作者以及共同通訊作者為深圳先進(jìn)院天然生物與仿生材料課題組負(fù)責(zé)人王彬。

圖1. (a)須鯨及其鯨須，(b)鯨須板及取向示意圖，(c)鯨須micro-CT及光學(xué)圖像的橫截面，(d)鯨須中間細(xì)管層平行于縱軸方向的細(xì)管及中空髓腔，(e)橫向及縱向加載時含有預(yù)制裂紋的鯨須板在裂紋擴(kuò)展過程中表現(xiàn)的韌化機(jī)制，(f) 計(jì)算機(jī)輔助建立的多層級結(jié)構(gòu)模型及3D打印出的仿生結(jié)構(gòu)模型，(g)仿生結(jié)構(gòu)模型在不同加載速率下的壓縮應(yīng)力應(yīng)變行為。

  鮮為人知的鯨須即是在材料設(shè)計(jì)與仿生方面的典范。鯨須是須鯨口腔中的角蛋白結(jié)構(gòu)，由一系列平行排列懸掛的須板組成（見圖1a-b），上百年承受來自循環(huán)水流及捕食物的作用力為須鯨提供可靠、高效的過濾攝食功能而不發(fā)生斷裂失效，使得須鯨成為世界上體積最大的哺乳動物。天然鯨須具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性，從11到20世紀(jì)一直是西方國家用來制作女士緊身塔的材料，也是阿拉斯加本地特色編籃藝術(shù)品的原材料。目前對于鯨須的研究很少，主要集中在對其描述性的生物學(xué)和初步的生物力學(xué)方面。

  當(dāng)前輕質(zhì)高強(qiáng)韌的先進(jìn)復(fù)合材料已應(yīng)用于海洋環(huán)境，而其中斷裂韌性是高性能船艇、潛器及海洋能源設(shè)備等結(jié)構(gòu)材料的重要考慮因素，該研究首次從仿生材料角度研究鯨須，闡明其抑制裂紋擴(kuò)展和抗斷裂性能與其多層級遞階結(jié)構(gòu)的理論關(guān)聯(lián)（如圖1e所示），分析水含量及加載速率共同作用時對鯨須斷裂韌性的影響效果及作用機(jī)理，明晰抑制裂紋擴(kuò)展及其過程中韌化機(jī)制的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素；結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬及高精度多材料3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)并制備出一系列結(jié)構(gòu)逐級復(fù)雜的仿生結(jié)構(gòu)模型（在多尺度上實(shí)現(xiàn)各級單元的結(jié)構(gòu)特征，圖1f-g），從試驗(yàn)上證實(shí)多層級結(jié)構(gòu)對鯨須在變速載荷下力學(xué)行為的影響，并證實(shí)鯨須跨多尺度的微纖絲-基體結(jié)構(gòu)，礦化的細(xì)管-管間結(jié)構(gòu)及夾層結(jié)構(gòu)使得其在裂紋擴(kuò)展中表現(xiàn)出多種韌化機(jī)制，具有優(yōu)異的抗斷裂性能。該研究的新發(fā)現(xiàn)與研究成果有效啟發(fā)并推進(jìn)海洋環(huán)境用先進(jìn)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與研發(fā)。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201804574