海洋矿化角蛋白：鲸须多层级递阶结构与抗断裂耐冲击性能原理及其仿生制备

Marine organisms utilize their components/structural materials, which have been evolved over millions of years, to achieve special functions in the ocean. Whale baleen, unknown to most people, ensures the filter-feeding for baleen whales in place of teeth and sustain a variety of forces from water flow and prey during entire life. Our preliminary experiments found that the baleen shows distinct hierarchical structure, which leads to superior resistance to crack propagation and energy absorbance. Therefore, we propose for the first time that baleen possesses exceptional fracture toughness and impact resistance, and the structural design can provide insightful knowledge to design new materials for marine applications. This project elucidates the hierarchical structure of baleen (multi-scales ranging from nanoscale filament-matrix structure to microscale tubular and to macroscale sandwich structure), studies the fracture toughness and impact behavior of baleen with quantitative analysis; then with this knowledge and combined with advanced material fabrication techniques, such as electrospinning and vacuum-assisted infusion, we create baleen-inspired fiber-reinforced composites. This project will uncover how the hierarchical structure of baleen leads to the undersea exceptional fracture and impact resistance, and fabricate baleen-inspired advanced fiber-reinforced composites targeted to marine devices, e.g. autonomous undersea vehicles and wave energy devices, contributing to expanding the current frontage of ocean-related biomimetic research filed.

海洋哺乳动物通过其上亿年进化而形成的矿化结构材料实现其在海中的独特功能。鲜为人知的鲸须是须鲸口腔中替代牙齿为其提供过滤摄食的角蛋白结构，终身承受来自水流及捕食物（鱼虾冲撞）的作用力。我们的前期试验发现鲸须其独特的结构可提供良好的抗裂纹扩展和吸收能量特性。由此，我们首次提出鲸须具有优异的抗断裂和耐冲击性能，其结构可为研发海洋设备用先进复合材料提供新思路。本项目研究并首次阐明鲸须多层级递阶结构（从纳米级纤丝-基体结构至微米级细管及宏观夹层结构），考察并从理论上定量研究其抗断裂与耐冲击力学行为，揭示其结构-性能内在关联；进一步据此结合静电纺丝、真空辅助树脂灌注等材料制备技术研发仿鲸须纤维增强复合材料。本项目将阐明鲸须通过其多层级递阶结构实现抗断裂耐冲击性能的机理，并制备在各个层级上仿鲸须结构进而具有其优异性能的新型复合材料以用于潜航器及海洋波能装置等，开拓海洋仿生学领域。

材料成分性能较弱的天然生物材料因多层级跨尺度结构而表现出杰出的力学性能，尤其是往往同时具有工程材料难以兼得的强度和韧性。鲜为人知的鲸须属于最强韧天然材料中的海洋矿化角蛋白材料，是材料设计与仿生的典范。鲸须为须鲸提供过滤摄食功能，终生（40-100年）承受循环水流及鱼虾捕食物的作用力而不发生力学失效，这取决于其独特的多层级跨尺度结构。而目前关于鲸须的研究很少，且主要是对其描述性的生物学方面。与此同时，工程领域的轻质高强韧复合材料已成为应用于海洋环境的材料需求，其可设计性强的优点赋予其很大的性能提升空间；而材料的断裂韧性是高性能船艇、潜航器及能源设备等结构材料的重要考虑因素。.在青年科学基金的支持下，本项目创新性从仿生材料角度研究并阐明了天然鲸须多层级跨尺度结构与抗断裂耐冲击性能机理，并进一步制备出模拟鲸须结构及优异性能的仿生结构模型和纤维增强复合材料，为先进复合材料的设计与研发提供了新的理论与实践依据。通过本项目的研究，(1) 明晰了鲸须多层级跨尺度结构，提炼出导致高断裂韧性和耐冲击性能的关键结构因素而建立了仿生结构模型；(2) 定量分析了鲸须的断裂韧性及准静态和动态力学行为，揭示了鲸须以细管圆环状片层为主的多层级结构在裂纹扩展过程中展现的裂纹抑制及转向等韧化机制，且首次发现并证实了除高分子黏弹性外，多层级跨尺度结构也显著影响材料的应变速率敏感性；(3) 设计且优化出具有最佳综合性能的仿生结构模型，并制备出具有仿鲸须结构的纤维增强细管复合材料；相关研究成果丰富拓展了当前生物学和材料学领域知识储备，为先进复合材料通过结构设计而非化学成分复杂实现力学性能的提升提供了新的研发思路和重要参考依据，有助于开拓仿生材料学研究前沿。