深圳先進院在海洋生物材料基礎研究方面取得進展

　　近日，中國科學院深圳先進技術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展，為仿生高性能復合材料研發提供新的設計與制備思路，該研究成果以Lessons from the ocean: whale baleen fracture resistance（《源自海洋的設計理念：鯨須的抗斷裂性》）為題發表于材料期刊Advanced Materials（《先進材料》），論文第一作者以及共同通訊作者為深圳先進院天然生物與仿生材料課題組負責人王彬。

　　探索天然生物材料結構-功能機理而設計制備仿生材料已成為新材料領域的研究前沿。作為地球上生命起源之地，海洋占據了地表71%的面積，蘊藏著豐饒的然而絕大部分還未被開發研究的生物資源。一方面，海洋資源的探索與開發取決于先進材料的研發與突破；另一方面，該研究創新性提出天然海洋生物為適應海洋環境而進化形成的結構材料可為研發海洋設備用材料提供極有價值的指導信息，即“取之于海，用之于海”，為開發海洋環境先進復合材料提供新的研發思路。

　　鮮為人知的鯨須即是在材料設計與仿生方面的典范。鯨須是須鯨口腔中的角蛋白結構，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。天然鯨須具有優異的強韌性，從11到20世紀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和初步的生物力學方面。

　　當前輕質高強韌的先進復合材料已應用于海洋環境，而其中斷裂韌性是高性能船艇、潛器及海洋能源設備等結構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，闡明其抑制裂紋擴展和抗斷裂性能與其多層級遞階結構的理論關聯（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理，明晰抑制裂紋擴展及其過程中韌化機制的關鍵結構因素；結合計算機模擬及高精度多材料3D打印技術設計并制備出一系列結構逐級復雜的仿生結構模型（在多尺度上實現各級單元的結構特征，圖1f-g），從試驗上證實多層級結構對鯨須在變速載荷下力學行為的影響，并證實鯨須跨多尺度的微纖絲-基體結構，礦化的細管-管間結構及夾層結構使得其在裂紋擴展中表現出多種韌化機制，具有優異的抗斷裂性能。該研究的新發現與研究成果有效啟發并推進海洋環境用先進復合材料的設計與研發。

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