劉大剛：拉開天然高分子應用的序幕

嚴永紅

能源的消耗利用，極大地改善了人類物質生活，同時也讓環(huán)境污染問題迫在眉睫。近年來，具有良好的再生性和環(huán)境友好性，作為可以替代傳統化石能源而又在自然界中普遍存在的天然高分子被廣泛關注。

依照天然高分子的結構屬性，改性修飾或者納米化研制開發(fā)出適合于人類可持續(xù)發(fā)展的、無毒害、易降解的高分子材料，成為了當今全球節(jié)能環(huán)保領域重要的研究方向。“能源問題勢必會引起環(huán)境問題，把自然界中的生物質作為一種能量，通過循環(huán)使之得以釋放，可以極大地減少對化石能源的依賴性，同時也不會對環(huán)境造成不良影響。”南京信息工程大學環(huán)境科學與工程學院化學系教授劉大剛如此認為。

田野里走出來的材料工作者

出生于20世紀70年代末的劉大剛成長于革命老區(qū)大別山腳下，自小玩耍于山間田野，一束花草、一顆粒石、一只甲殼蟲……都可以讓他玩得不亦樂乎。因歷史原因，當地十分貧困，食不裹腹并不罕見。在此等生活條件下，讀書成為一種奢侈。

他的爺爺是以前的私塾先生，在當地算得上知識分子，“家里的教育傳承還可以”，因此，劉大剛才能一路從小學、中學讀到大學，最終成長為一個前線教育工作者，科研人員。談及小時候的生長環(huán)境，劉大剛很是興奮，“那時候上學也不是全身心地在學習上，而是喜歡跑到山溝溝里到處去玩”。

自然界各色各樣的生物，種種神秘現象，填滿了劉大剛的少年時代。“我喜歡一些自然、天然純粹的東西，同時也喜歡思考自然界中的五顏六色是怎么來的一類問題”。開闊的山間田野塑造了他自由、崇尚天然的性格，對各種自然現象高度好奇培養(yǎng)了他對自然的無限興趣。可以說正是在這種興趣的指引下，讓他在今后的科研過程中以自然為導向，一步一步走進大自然深處。

從大學時期的化學專業(yè)，到留美期間的可再生資源研究，再到目前所從事的環(huán)境友好高分子納米材料研究，劉大剛把他感興趣的自然生物一點點轉移到實驗室里的瓶瓶罐罐中，熱衷于探索天然高分子結構的不規(guī)整性、分子間鍵全作用的復雜性、難溶解、手性以及親水性等特征，為尋找可替代原料不遺余力。

“自然界中有很多生物質，其通過自然本身的循環(huán)作用，把這些生物質當作一種能量利用起來，通過不同形式的排列組合直接轉化為人類所需要的能源材料，這是我一直想做的”，劉大剛始終認為，科研要取于自然，回歸自然?！袄秘S富的可再生材料，實現功能化仿生，使用后也是天然環(huán)保，這才是正確的循環(huán)發(fā)展的道路”。

探索天然高分子性能

當前，傳統能源在消耗過程中不可避免出現有毒物質，危害生態(tài)環(huán)境的正常發(fā)展，同時也損害人類身體健康。隨著近年來國內外天然高分子領域研究腳步的加快，人們逐漸對天然高分子的聚集態(tài)結構、材料的降解循環(huán)利用有了深入了解。

劉大剛帶領團隊將淀粉、紙漿、甲殼素、殼聚糖、絲蛋白等通過機械物理的方法分別制備成天然高分子納米顆粒，通過對流變分析淀粉、殼聚糖、甲殼素在尺寸降低的過程中納米顆粒的溶膠—凝膠轉變，研究了尺寸轉變和形貌等對顆粒性質的影響。該技術克服了傳統化學污染或者生物酶技術的不足，為天然高分子半結晶性納米顆粒以及水分散膠體提供了有效的制備方法，并得到了學術界和工業(yè)界的廣泛認可。這些納米顆粒有效地增加了比表面積和相對官能團數量，卻保持了原始的剛性特征，當嵌入柔性高分子鏈段中易形成“海-島”結構。他們將天然高分子納米晶或者納米纖維與高分子進行共混，實現軟硬兩相之間的有序結合，增加材料的抗蠕變性能。他們的研究受到關注并受邀撰寫書稿和綜述。

像纖維素納米晶這樣的尺寸小、比表面積大的聚集體，可以通過緩慢的自組裝恢復其生物體內纖維的膽甾相有序結構。但是若在三維尺寸范圍內實現有序組裝，必須在聚集體中間引入如電荷排斥等排斥力，劉大剛及其團隊通過調節(jié)納米晶表面電荷密度和手性旋轉調控具有長程有序結構的膽甾相液晶膜，而且這種手性向列相液晶可以選擇性地反射可見光，表現出結構顏色現象。這種彩虹色的薄膜被用于傳感膜、防偽涂層材料。這一研究發(fā)現受到國內外的廣泛關注，獲得較高的引用。

此外，基于生命體中天然高分子聚合存在的特征，他提出利用雜化形式實現對天然高分子材料結構性質的調控和應用。比如大豆蛋白質是一種優(yōu)良的鈣離子結合物，利用球蛋白亞單元7S和11S作為模板，通過無機納米顆粒的識別效應，區(qū)分出大豆蛋白質球蛋白的二級結構單元，建立起7S和11S的有機/無機納米晶之間的識別/組裝模式。通過雜化增強等方式解決了大豆蛋白材料的吸水性強、韌性差的問題，并且將離子鍵合/螯合作用力用于增強大豆蛋白質/木材的膠合界面，提出復雜的有機/無機雜化納米膠黏劑在粘接木材中三相界面作用力的膠合機理。相關的膠黏劑產品并已實現了該技術的工業(yè)化，在環(huán)境公益和工業(yè)方面貢獻了技術力量。

眾所周知，重金屬離子污染極大地破壞了當前生態(tài)環(huán)境，利用天然高分子微納米顆粒的多功能活性基團和高比表面積，可以實現對重金屬離子的吸附分離，有效地減少了二次污染。劉大剛帶領團隊成員將大豆蛋白微球、甲殼素、殼聚糖納米纖絲等微納米尺寸的天然高分子顆粒應用于重金屬離子等污染物的去除，取得超高的吸附量和吸附效率。在過濾器件的應用上，為快速、高效的污染處理開辟了新思路。

在今后的科研過程中，劉大剛認為，分離出細小的半結晶天然高分子納米結構單元，改變、調節(jié)這些聚集體之間的作用力，調控手性結構特征，繼而控制綠色組裝過程合成功能、智能材料，實現從仿生到創(chuàng)造智能材料的轉變是重中之重。

“自然靈感是自主創(chuàng)新的源泉”

留美期間，劉大剛的科研態(tài)度有了一些改變，“相對來講，美國的科學家更注重科技成果的轉化，實現產學研緊密聯合”。隨著國內科研成果與產業(yè)化相對接趨勢的日益加強，他敏銳地感覺到，今后的科研之路要向技術自主創(chuàng)新和新產品研發(fā)方面發(fā)展。

“大自然是最偉大的材料大師，要從大自然中尋找靈感，重新做實驗設計，然后嘗試著去完成”，劉大剛認為科研的靈感要來自于自然，比如孔雀開屏很美麗，那能不能把這種自然呈現出來的顏色搭配及圖案等轉移到人類的衣物制作上，而不是僅僅通過化學印染，這種自然組合，能夠美得更真實、更環(huán)保、更有利于人體健康。

回國后，劉大剛就走上了南京信息工程大學的三尺講臺，開始了執(zhí)教生涯，并在這里一一實現著自己當初的設想?！案慊瘜W科研，并非都是和有毒物質打交道，在我們實驗室里都是一些天然的東西，是自然界中普遍存在的天然高分子，比如淀粉、甲殼素、纖維素、蛋白質等，很常見”。在指導學生做科研方面，他說，大自然才是人類的老師，鼓勵學生多接觸自然，在實驗里做基礎性研究時，只需要結合自然界中的現象來執(zhí)行就可以了。

放手讓學生自己去尋找實驗靈感，去探索自然奧秘，才能培養(yǎng)出高超的動手能力以及自主創(chuàng)新思維。劉大剛常常告誡學生，“要想成為專業(yè)人才，基礎知識的學習是必須的。擁有極強的目標感，從多方面尋找解決問題的途徑以達到目標，這樣才會有更多更好的東西被創(chuàng)造出來”，激發(fā)學生的自主性及興趣點，他認為這是教師的職責所在。

誠然，以自然為導向，以生活為根基，取之于自然應用于自然的科研技術，才會具有長遠的生命力。