“须鲸是世界上最大的哺乳动物，寿命可长达上百年，它的鲸须能够终生为其提供过滤摄食功能，在海水的循环作用力下不会发生断裂也不腐蚀，这为研发海洋环境中的新材料提供了全新思路。”在接受读创记者采访时，王彬博士如此表示。

王彬所在的课题组属于中国科学院深圳先进技术研究院医药所人体组织与器官退行性研究中心，研究方向为海洋生物及仿生材料，致力于发现自然界中具有独特功能的天然生物材料。在11月的材料领域权威期刊AdvancedMaterials（《先进材料》）上，该团队在线发表了最新研究成果，研究的主角便是须鲸的“牙齿”——鲸须，一种抗断裂、耐腐蚀、可控性强的天然纤维增强复合材料。

鲸须是鲸鱼的滤食装置

海洋腐蚀严重威胁着海洋工程设施的耐久性和安全性，材料在设备服役过程中发生的无预警式断裂会造成巨大损失，据中科院调查显示，中国每年海洋腐蚀损失达亿元人民币。因此，通过材料设计与研发的方式从根本上解决材料的力学及腐蚀问题，进而延长海洋设施寿命成为迫切需要解决的问题，而鲜为人知的鲸须便为解决该问题提供了新思路。

△鲸须是鲸鱼的滤食装置

什么是鲸须？据王彬介绍，鲸须相当于世界上体积最大的动物——须鲸的“牙齿”，但它不提供咀嚼功能，而是过滤摄食功能，长度可达3米，重量可达90公斤。“须鲸进食时首先会张开大口，吞入包含鱼虾在内的上吨海水，再通过鲸须将海水滤出，最后吞食留在口腔中的鱼虾。”

在须鲸上百年的生命中，鲸须在循环水流及鱼虾的作用力下不断为鲸鱼提供可靠、高效的滤水功能，并且不发生断裂腐蚀失效。目前为止，学术界对鲸须的研究还很少，而专攻仿生材料的王彬对鲸须的特性产生了兴趣。“我希望从鲸须的结构和成分上来研究它为什么会有这些性能，进而为海洋用的先进复合材料提供一些设计思路。”

3D打印“复制”鲸须结构

鲸须抗断裂的特性源于它良好的强度和韧性。王彬说：“强度与韧性是两种矛盾的性能，比如陶瓷虽然硬但易碎，塑料虽然韧但很软，而高硬度和韧性却在鲸须上很好地融合在一起。”

为探究鲸须的性能原理，王彬课题组首次从仿生材料角度研究鲸须，阐明其抑制裂纹扩展和抗断裂性能与其多层级递阶结构的理论关联，分析水含量及加载速率共同作用时对鲸须断裂韧性的影响效果及作用机理，明晰抑制裂纹扩展以及过程中韧化机制的关键结构因素。经过理论研究后，团队通过高精度、多材料3D打印技术设计制备出一系列仿生结构模型，并对其结构性能进行验证。该研究有效启发了海洋环境用先进复合材料的设计与研发，研究成果于11月登上材料领域排名第二的国际著名期刊《先进材料》(AdvancedMaterials，影响因子21.)。

△王彬团队对鲸须材料展开研究

通过这项研究，王彬希望首先能够为海洋环境用复合材料的结构设计与制备提供先进的理论指导，进一步开发仿生的纤维增强复合材料。其次，即便发生不可避免的裂纹，也能够通过材料结构设计有效阻断并抑制裂纹的扩展。“可控性强将是该材料的另一大优势，即使有裂纹萌生，也要知道裂纹在什么时候扩展到什么程度，以此将损失降到最低。”

科学家眼中的神奇动物

从仿生材料角度研究鲸须结构，王彬团队尚属首例。在此之前，鲸须仅作为原材料，用于制作阿拉斯加本地特色工艺品和雕刻品。谈及研究鲸须的灵感来源，王彬表示在加州大学圣地亚哥分校读博期间，受到博士生导师及当时课题组的熏陶。

“当时我们的实验室里有食人鱼的牙齿、海马的骨骼、蛇皮、牛角等各种各样有趣的东西。”王彬回忆道，“这些东西在别人看来或许仅仅是有趣，从我的角度来看，我会思考它们为什么具备独特性能？这都跟材料的结构和成分有很大关系。”

△王彬博士

在之前的课题组，王彬研究了自然界中的多种角蛋白材料，包括穿山甲鳞片、鸟类羽毛等，经过对各类角蛋白的研究现状进行调研后发现，鲸须领域仍是空白，而性能又十分优异，便展开了对鲸须的深入研究。王彬认为，仿生材料研究不仅是有趣，更要具有实用价值。“探索大自然本是无穷乐趣，能够明晰其科学原理，进一步应用于实际需求更是科研工作者最大的追求。”

文/严偲偲

编辑/毛毛

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