自然是最精確和高效的材料的設計者和創造者，在各種生物材料的啟發下，人們通過「複製」得到了一系列具有特定功能的仿生材料，如模仿荷葉微凸起表面的超疏水材料，模仿壁虎腳掌黏附系統的粘合劑等。
近日，中國科學院深圳先進技術研究院的博士王彬和加利福尼亞大學的M. A. Meyers教授受鯨鬚的啟發，利用3D列印技術複製了鯨鬚的三維結構，並探究了該結構對性能的影響。
圖1 鯨鬚微結構的示意圖、結構剖面圖及模仿鯨鬚結構的結構模型示意圖
鯨鬚是鬚鯨口腔中的濾食器，能提高鬚鯨食用大量浮遊動物時的效率，鬚鯨也憑藉這個濾食的功能逐漸進化為地球上最龐大的物種之一。鯨鬚主要是一種角蛋白材料，它包含了一系列自口腔底部長出的平行板狀物，每個平行板上又會長出許多須狀物，如圖1(b)所示。鯨鬚替代了牙齒，能將食物和海水分離，因此，它需要一定的強度以抵抗水流和食物產生的各種各樣的壓力。即使在橫向負載時，鯨鬚仍能表現出較好的斷裂韌性，並且斷裂韌性具有各向異性。優異的斷裂韌性可以保證它在使用過程中的結構完整性。在乾燥的條件下，隨著應變速率的增加,鯨鬚還會表現韌脆轉變的性能，給予鯨鬚抗衝擊性能。同時由於縱向取向的管狀層中羥基磷灰石晶體的含量較高，礦化程度較高，鯨鬚的硬度與屈服強度也有一定增強。
研究發現鯨鬚的平行板狀物有著獨特的三明治-管狀結構：中間為多孔的管狀結構，上下為固體層。靠近口腔部分，中間管狀區域面積最大幾乎達到100%，遠離口腔一端中間管狀區域面積最小約為26%，如圖1(c)所示。每根管的末端都會長出須狀物，維持水動力並抵禦與其他生物碰撞產生的壓力。應變速率為10-1 s-1時，彈性模量達到3.3±0.18 GPa。裂紋擴展為0.04 mm時，斷裂韌性達到18 kJ m-2。羥基磷灰石晶體在管狀層中無規分布（圖1(d)），可提高材料的硬度與屈服強度。
圖2 鯨鬚的斷裂行為
作者設計出與鯨鬚三維結構類似的結構模型，並利用3D列印技術製備了類似的三明治-管狀結構：單纖基質殼層和中心為髓質的羥基磷灰石礦化的管狀結構（相鄰的管狀結構被未礦化的單纖基質層分離），如圖1(f)所示。結果表明這種3D列印的具有複雜三維結構的材料能表現出和天然鯨鬚類似的抗壓性能和斷裂韌性。當應變速率為10-2 s-1時，屈服壓力和彈性模量分別達到1.35±0.22和21.63±3.37MPa，當應變速率為0.28 s-1，屈服壓力和彈性模量分別達到3.44±0.22和47.56±5.14 MPa。
作者進一步研究了這些結構分別對材料的性能有怎樣的影響，結果發現只有這種特殊的三維結構的共同作用才能得到具有優異的各向異性斷裂韌性及抗壓能力的材料，缺少任何一種結構都不能達到最好的性能，如圖3(d)所示。
圖3 鯨鬚(a, b)和3D列印材料(c, d)的準靜態和動態壓縮響應
該工作已經發表在先進材料上（Adv. Mater. DOI：10.1002/adma.201804574）
來源：高分子科學前沿
聲明：凡本平臺註明「來源：XXX」的文/圖等稿件，本平臺轉載出於傳遞更多信息及方便產業探討之目的，並不意味著本平臺贊同其觀點或證實其內容的真實性，文章內容僅供參考。
我們的微博：高分子科學前沿，歡迎和我們互動。
添加主編為好友（微信號：gfzkxqy，請備註：名字-單位-研究方向），邀請您加入學術圈、企業界、碩博聯盟、北美、歐洲、塑料、橡塑彈性體、纖維、塗層黏合劑、油墨、凝膠、生物醫用高分子、高分子合成、膜材料、石墨烯、納米材料、表徵技術、車用高分子、發泡、聚醯亞胺等一系列技術交流群。同時可以在菜單中回復「交流群」，獲取群目錄。
投稿 薦稿 合作：editor@polysci.cn