从海洋生物材料寻宝

21世纪是海洋的世纪。而海洋资源的探索与开发取决于先进材料的研发与突破。中国科学院深圳先进技术研究院人体组织与器官退行性中心的王彬博士（点击查看介绍）团队创新性提出，天然海洋生物其为适应海洋环境而进化形成的结构材料可为研发海洋环境用材料提供极有价值的指导信息，即“取之于海，用之于海”，为开发海洋环境先进复合材料提供新的研发思路。

作为地球上生命起源之地，海洋占据了地表71%的面积，蕴藏着丰饶的然而绝大部分还未被开发研究的生物资源。这些海洋生物不仅是人类的物质资源宝库，其组成材料经亿万年进化出的精巧结构与优异性能是启迪人类研发新材料的源泉。当前轻质高强韧的先进复合材料已成为应用于海洋环境的材料需求，而其中断裂韧性是高性能船艇及海洋能源设备等结构材料的关键因素。

图1. (a) 须鲸及其鲸须， (b) 鲸须板及取向示意图， (c) 鲸须micro-CT及光学图像的横截面， (d) 鲸须中间细管层 平行于纵轴方向的细管及中空髓腔， (e) 横向及纵向加载时含有预制裂纹的鲸须板在裂纹扩展过程中表现的韧化机制，(f) 多层级结构模型及3D打印出的仿生结构模型，(g) 仿生结构模型在不同加载速率下的压缩应力应变行为。

鲜为人知的鲸须即是在材料设计与仿生方面的典范。鲸须是须鲸口腔中的角蛋白结构，由一系列平行排列悬挂的须板组成（见图1a-b），上百年承受来自循环水流及捕食物的作用力，为须鲸提供可靠、高效的过滤摄食功能而不发生断裂失效，使得须鲸成为世界上体积最大的动物。天然鲸须具有优异的强韧性，从11到20世纪一直是西方国家用来制作女士紧身塔的材料。目前对于鲸须的研究极少，王彬团队首次从仿生材料角度研究鲸须，阐明其抗断裂性能与其多层级递阶结构的理论关联（如图1c-e所示），明晰抑制裂纹扩展以及过程中韧化机制的结构因素；结合计算机模拟和高精度多材料3D打印设计和制备出一系列仿生结构模型（在多尺度上实现各级单元的结构特征，图1f-g），从试验上证实多层级结构对鲸须在变速载荷下力学行为的影响，并证实鲸须跨多尺度结构使得其在裂纹扩展中具有优异的抗断裂性能。该研究的新发现与研究有效启发并推进海洋环境用先进复合材料的设计与研发。

该研究成果发表在Advanced Materials 上，论文第一作者以及共同通讯作者为王彬。

该论文作者为：Bin Wang, Tarah N. Sullivan, Andrei Pissarenko, Alireza Zaheri, Horacio D. Espinosa, Marc A. Meyers

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Lessons from the Ocean: Whale Baleen Fracture Resistance

Adv. Mater., 2019, 31, 1804574, DOI: 10.1002/adma.201804574

王彬博士简介

王彬，博士，中国科学院深圳先进技术研究院，副研究员。2016年于加州大学圣地亚哥分校取得博士学位。主要研究方向为天然生物材料结构与性能机理及仿生功能材料研发，在材料领域国际权威期刊Progress in Materials Science、Materials Today 、Advanced Materials 及Advanced Science 等以第一作者发表高水平学术论文15篇，包括一篇受邀综述；发表一篇英文专著章节，参与撰写一部英文高校教材，拥有授权专利1项，担任多本知名学术期刊的审稿人；研究成果被广泛报道（如ScienceDaily、Nature Reviews Materials、新华社、国际仿生工程学会等）。已获广东省珠江人才计划-青年拔尖人才，深圳市孔雀海外高层次人才B类以及南山领航人才等。

https://www.x-mol.com/university/faculty/53888

课题组的研究方向

经大自然“适者生存”上亿年优化出的天然生物材料常常表现出令人惊异的性能，而这其中的奥秘在于其独特的成分与多层级递阶结构。本课题组研究并阐明具有优异独特性能的天然生物材料其结构-性能机理，并进一步发展先进材料制备技术研发新的仿生功能材料。

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