王彬通过3D打印技术“复制”鲸须的三维结构得到具有优良抗断裂性能的仿生材料

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自然是最精确和高效的材料的设计者和创造者，在各种生物材料的启发下，人们通过“复制”得到了一系列具有特定功能的仿生材料，如模仿荷叶微凸起表面的超疏水材料，模仿壁虎脚掌黏附系统的粘合剂等。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院的博士王彬和加利福尼亚大学的M. A. Meyers教授受鲸须的启发，利用3D打印技术复制了鲸须的三维结构，并探究了该结构对性能的影响。

图1 鲸须微结构的示意图、结构剖面图及模仿鲸须结构的结构模型示意图

鲸须是须鲸口腔中的滤食器，能提高须鲸食用大量浮游动物时的效率，须鲸也凭借这个滤食的功能逐渐进化为地球上最庞大的物种之一。鲸须主要是一种角蛋白材料，它包含了一系列自口腔底部长出的平行板状物，每个平行板上又会长出许多须状物，如图1(b)所示。鲸须替代了牙齿，能将食物和海水分离，因此，它需要一定的强度以抵抗水流和食物产生的各种各样的压力。即使在横向负载时，鲸须仍能表现出较好的断裂韧性，并且断裂韧性具有各向异性。优异的断裂韧性可以保证它在使用过程中的结构完整性。在干燥的条件下，随着应变速率的增加,鲸须还会表现韧脆转变的性能，给予鲸须抗冲击性能。同时由于纵向取向的管状层中羟基磷灰石晶体的含量较高，矿化程度较高，鲸须的硬度与屈服强度也有一定增强。

研究发现鲸须的平行板状物有着独特的三明治-管状结构：中间为多孔的管状结构，上下为固体层。靠近口腔部分，中间管状区域面积最大几乎达到100%，远离口腔一端中间管状区域面积最小约为26%，如图1(c)所示。每根管的末端都会长出须状物，维持水动力并抵御与其他生物碰撞产生的压力。应变速率为10-1 s-1时，弹性模量达到3.3±0.18 GPa。裂纹扩展为0.04 mm时，断裂韧性达到18 kJ m-2。羟基磷灰石晶体在管状层中无规分布（图1(d)），可提高材料的硬度与屈服强度。

作者设计出与鲸须三维结构类似的结构模型，并利用3D打印技术制备了类似的三明治-管状结构：单纤基质壳层和中心为髓质的羟基磷灰石矿化的管状结构（相邻的管状结构被未矿化的单纤基质层分离），如图1(f)所示。结果表明这种3D打印的具有复杂三维结构的材料能表现出和天然鲸须类似的抗压性能和断裂韧性。当应变速率为10-2 s-1时，屈服压力和弹性模量分别达到1.35±0.22和21.63±3.37MPa，当应变速率为0.28 s-1，屈服压力和弹性模量分别达到3.44±0.22和47.56±5.14 MPa。

作者进一步研究了这些结构分别对材料的性能有怎样的影响，结果发现只有这种特殊的三维结构的共同作用才能得到具有优异的各向异性断裂韧性及抗压能力的材料，缺少任何一种结构都不能达到最好的性能，如图所示。

该工作已经发表在先进材料上（Adv. Mater. DOI：10.1002/adma.201804574）