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深耕木材智能仿生 提升林木资源利用

来源:  发布时间:2022-05-20

——记东北林业大学材料科学与工程学院教授甘文涛

卫婷婷

 

 

我国木材资源丰富。改革开放40多年来,中国已成为世界最大的木材与木制品加工国、贸易国和消费国。几十年来,随着木材资源的用量增加,我国优质天然林的消耗程度也逐渐加深。在这一背景下,我国制定了《全国天然林保护修复中长期规划(20212035年)》(以下简称“规划”),规划提出,要推动全国天然林全面持续保护。这一规划的启动与实施,便是中国林业从以木材生产为主向以生态建设为主转变的标志性事件。

事实上,随着国家经济实力的提升与人民生活水平的提高,木制材料在居家、环保方面的需求一直居高不下。“自然界存在的很多生命现象,都是通过亿万年来的物竞天择得到的最优生长方式,并形成与环境相互适应的能力。在这样的科学理念支撑下,我们就可以通过利用现代化的加工手段,将一些现象嫁接到木制品中,以达到让木材功能增强和增效的目的。”东北林业大学材料科学与工程学院教授甘文涛说。多年来,他通过仿生自然界生物的结构、形貌、活动规律,以及与周围环境响应机制等,大力研究木材仿生与智能化相关技术,以期为木材加工工业的节能减排和提质增效提供相关理论基础。

 

从湖南到东北的求学之旅

 

1993年,甘文涛出生于湖南。17岁时,抱着求知的渴望,他来到东北林业大学求学,这一去就是10年。东北林业大学是一所以林科为优势、林业工程为特色的院校,在这里,甘文涛与木材科学结缘,并对此萌生了极大的兴趣。

本科毕业后,甘文涛以优秀的成绩得到了在东北林业大学木材科学与技术专业硕博连读的机会。在这一阶段,他遇到了自己的恩师李坚院士。作为我国木材科学界的知名专家,李坚院士一直致力于让木制品制造打破传统框架,提高整个木材产业链的科技含量,使其站在更高的技术水平为社会进步服务。当时,甘文涛就被李坚院士所描绘的这幅蓝图所深深吸引。在李院士的引导下,他开始了仿生构建木基磁性材料及其功能的研究。深入其中之后,甘文涛发现:在木材仿生智能材料的初步探究中,当时仍有一些未能攻克的研究瓶颈。在这一背景下,他决定前往国外学习、交流以寻求让自己的科研之路“更进一步”的方法。

201710月,甘文涛在国家留学基金委员会的资助下,来到了马里兰大学材料科学与工程专业进行学习。“当时我就想拓宽一下视野,学习一些国际上顶尖研究团队的研究方法和理念。”甘文涛说。在那里,甘文涛与马里兰大学胡良兵教授展开合作交流。胡良兵教授在可持续材料领域具有丰富的经验,他对木材的研究更多的是从材料的角度出发,并在其基础上设计了更多新的材料。在马里兰大学为期两年的研究历程中,甘文涛有幸参与到了《科学》(Science)、《自然》(Nature)等期刊其他专业论文的相关理论研究工作中。这些工作给了甘文涛极大的启发,让他学到了要跳出研究的框架思考科研问题。“虽然我们是学习木材的,但是我们不能把条条框框都束缚在木材上。”甘文涛说。他坚信打破思维的束缚,才能做出让人眼前一亮的创新工作。

 

回归母校开展木材研究

 

东北三省物资富饶,是我国重要的木材生产基地,这里的林业用地面积达3875万公顷,占全国的14.7%,森林覆盖率达39.6%,远远高出全国森林覆盖率16.55%的水平。但是近些年来,东北也不得不面临着科研人才“孔雀东南飞”的现状。在这一背景下,东北林业大学也施行了一系列人才扶植政策。在母校情结和对木材科学的热爱驱使下,20204月,甘文涛回到了东北林业大学继续从事科研工作。

木材是由多细胞组成的具有复杂层状结构和特殊分子力学现象的生物复合材料。针对木材细胞壁结构和组分间键合机制复杂,难以实现稳定、高效的功能拓展和性能增强问题,甘文涛基于木材细胞壁结构解译技术,提出对木材细胞壁进行组分解聚,随后利用机械压缩、表面涂层和化学改性等简单方法,调控木材结构,提高木材综合性能。木材在推向应用时,其存在的防火隐患是人们首要担心的问题。基于木质结构建筑的关键防火性能指标,甘文涛提出了自形成致密碳化层防火和各向异性导热涂层防火策略,这些研究成果发表在了权威国际期刊上。

深入研究工作中,甘文涛发现:纳米材料与木材相结合时会产生稳定性问题。“很多开展纳米材料研究工作的科研工作者,几乎都会研究界面问题。因为纳米材料的尺度效应,其与异质木材结合时,势必就会存在界面不兼容的问题。”甘文涛说。基于纳米材料与木材界面不相容,难以实现稳定、均匀负载的问题,他和研究团队展开了一系列科研攻关。

功夫不负有心人。通过科研探索,甘文涛团队成功发展了一类低温水热共溶剂策略,可在天然木质细胞壁上做“加法”,以修饰磁性纳米材料。此外,他们还探索了二元过渡族金属离子体系在木材细胞壁中生长和成核规律,掌握了磁性纳米晶体形貌可控制备的关键技术,并充分挖掘了纳米晶层可产生的多种效能,如阻燃性、疏水性、抗紫外老化性等,改善了木材的易燃性、尺寸不稳定性和易老化性,同时赋予了木材磁性、荧光性、吸收电磁波特性等新功能,为木材仿生与智能化体系提供了新的理论依据和技术支撑。

在优秀的技术成果支撑下,甘文涛积极与企业展开技术合作。现如今,他们已经与多家企业建立了友好合作关系,服务于科研技术的转化。“企业往往更多关注一些实际问题,而我们在科研工作中更多关注的是科学问题。”甘文涛说。而如何把企业关注的实际问题转化成为科研工作者关注的科学问题,进而开发一些全新的技术,以解决企业所面临的困境,并带动全新的产业链发展,便是甘文涛一直思考的问题。未来,他仍会朝这一方向努力。

 

精心培养科研人才

 

恩师是引领甘文涛创新前行的灯塔。记得在甘文涛开展学术研究的起步阶段,他也经历了一段艰难的摸索时期。“当时就是在不停地制订实验方案,进行攻关探索。”甘文涛说。在陷入科研进展不顺利、投稿被拒的困境时,是导师李坚院士开导他、帮助他,引导他逐渐走出了低谷。如今,甘文涛也拥有属于自己的科研小团队。作为研究生们的导师,他也希望能像恩师一样,影响更多的青年学子。

“独立思考、精诚合作”,是甘文涛从李院士身上学到的最大品质。在甘文涛看来,科学研究中困难常在,遭遇困境时,科研人员绝不能寻找捷径、复制他人的方法,而一定要有自己的见解,学会独立思考科研问题。

与此同时,甘文涛也强调合作的重要性。现如今,科学研究已经离开了单打独斗的时代。每位科研人员术业有专攻,在这一背景下,团队人员一定要具有精诚合作的理念,为科研探索架起一座桥梁,以更好地服务于科研成果的诞生。

教学相长,立德树人。作为一名大学老师,甘文涛致力于教好每一门课程,他最大的愿望就是希望能通过自己的引导,让学生在大学4年学有所得,并切实感受到研究领域的发展前景,洞悉木材在成为主流可持续材料的可能性。从事教学工作以来,甘文涛也将多年在基础理论与产业方面取得的成果,转化为本科生与研究生的教学材料。目前,他所讲授的本科国家级精品课“木材学”,以及研究生课程“木材科学基础”与“木材仿生学”都将相关研究内容融入其中,深受学生与评教教师好评。“在教学方面,我还在不断地思考更多的教学方法,希望在自己的引导下,学生都能实现自我价值的提升。”甘文涛说。

科学研究永无止境。“多年投身在木材研究当中,我发现这一科学领域还在不停地发展,至今仍有许多未解之谜。”甘文涛说。今后,他还将从分子或者纳米级角度来解析木材的组分结构与性能之间的关系。对于这些未知的谜题,甘文涛的探索欲望始终强烈。

(责编:张闻)


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2022年6月

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