深耕木材智能仿生 提升林木資源利用
——記東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授甘文濤

衛(wèi)婷婷

甘文濤

我國(guó)木材資源豐富。改革開(kāi)放40多年來(lái)，中國(guó)已成為世界最大的木材與木制品加工國(guó)、貿(mào)易國(guó)和消費(fèi)國(guó)。幾十年來(lái)，隨著木材資源的用量增加，我國(guó)優(yōu)質(zhì)天然林的消耗程度也逐漸加深。在這一背景下，我國(guó)制定了《全國(guó)天然林保護(hù)修復(fù)中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021—2035年）》（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)劃”），規(guī)劃提出，要推動(dòng)全國(guó)天然林全面持續(xù)保護(hù)。這一規(guī)劃的啟動(dòng)與實(shí)施，便是中國(guó)林業(yè)從以木材生產(chǎn)為主向以生態(tài)建設(shè)為主轉(zhuǎn)變的標(biāo)志性事件。

事實(shí)上，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升與人民生活水平的提高，木制材料在居家、環(huán)保方面的需求一直居高不下?！白匀唤绱嬖诘暮芏嗌F(xiàn)象，都是通過(guò)億萬(wàn)年來(lái)的物競(jìng)天擇得到的最優(yōu)生長(zhǎng)方式，并形成與環(huán)境相互適應(yīng)的能力。在這樣的科學(xué)理念支撐下，我們就可以通過(guò)利用現(xiàn)代化的加工手段，將一些現(xiàn)象嫁接到木制品中，以達(dá)到讓木材功能增強(qiáng)和增效的目的?！睎|北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授甘文濤說(shuō)。多年來(lái)，他通過(guò)仿生自然界生物的結(jié)構(gòu)、形貌、活動(dòng)規(guī)律，以及與周圍環(huán)境響應(yīng)機(jī)制等，大力研究木材仿生與智能化相關(guān)技術(shù)，以期為木材加工工業(yè)的節(jié)能減排和提質(zhì)增效提供相關(guān)理論基礎(chǔ)。

從湖南到東北的求學(xué)之旅

1993年，甘文濤出生于湖南。17歲時(shí)，抱著求知的渴望，他來(lái)到東北林業(yè)大學(xué)求學(xué)，這一去就是10年。東北林業(yè)大學(xué)是一所以林科為優(yōu)勢(shì)、林業(yè)工程為特色的院校，在這里，甘文濤與木材科學(xué)結(jié)緣，并對(duì)此萌生了極大的興趣。

本科畢業(yè)后，甘文濤以優(yōu)秀的成績(jī)得到了在東北林業(yè)大學(xué)木材科學(xué)與技術(shù)專業(yè)碩博連讀的機(jī)會(huì)。在這一階段，他遇到了自己的恩師李堅(jiān)院士。作為我國(guó)木材科學(xué)界的知名專家，李堅(jiān)院士一直致力于讓木制品制造打破傳統(tǒng)框架，提高整個(gè)木材產(chǎn)業(yè)鏈的科技含量，使其站在更高的技術(shù)水平為社會(huì)進(jìn)步服務(wù)。當(dāng)時(shí)，甘文濤就被李堅(jiān)院士所描繪的這幅藍(lán)圖所深深吸引。在李院士的引導(dǎo)下，他開(kāi)始了仿生構(gòu)建木基磁性材料及其功能的研究。深入其中之后，甘文濤發(fā)現(xiàn)：在木材仿生智能材料的初步探究中，當(dāng)時(shí)仍有一些未能攻克的研究瓶頸。在這一背景下，他決定前往國(guó)外學(xué)習(xí)、交流以尋求讓自己的科研之路“更進(jìn)一步”的方法。

2017年10月，甘文濤在國(guó)家留學(xué)基金委員會(huì)的資助下，來(lái)到了馬里蘭大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)進(jìn)行學(xué)習(xí)?！爱?dāng)時(shí)我就想拓寬一下視野，學(xué)習(xí)一些國(guó)際上頂尖研究團(tuán)隊(duì)的研究方法和理念?！备饰臐f(shuō)。在那里，甘文濤與馬里蘭大學(xué)胡良兵教授展開(kāi)合作交流。胡良兵教授在可持續(xù)材料領(lǐng)域具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，他對(duì)木材的研究更多的是從材料的角度出發(fā)，并在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了更多新的材料。在馬里蘭大學(xué)為期兩年的研究歷程中，甘文濤有幸參與到了《科學(xué)》（

Science

）、《自然》（

Nature

）等期刊其他專業(yè)論文的相關(guān)理論研究工作中。這些工作給了甘文濤極大的啟發(fā)，讓他學(xué)到了要跳出研究的框架思考科研問(wèn)題?！半m然我們是學(xué)習(xí)木材的，但是我們不能把條條框框都束縛在木材上?！备饰臐f(shuō)。他堅(jiān)信打破思維的束縛，才能做出讓人眼前一亮的創(chuàng)新工作。

回歸母校開(kāi)展木材研究

東北三省物資富饒，是我國(guó)重要的木材生產(chǎn)基地，這里的林業(yè)用地面積達(dá)3875萬(wàn)公頃，占全國(guó)的14.7%，森林覆蓋率達(dá)39.6%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出全國(guó)森林覆蓋率16.55%的水平。但是近些年來(lái)，東北也不得不面臨著科研人才“孔雀東南飛”的現(xiàn)狀。在這一背景下，東北林業(yè)大學(xué)也施行了一系列人才扶植政策。在母校情結(jié)和對(duì)木材科學(xué)的熱愛(ài)驅(qū)使下，2020年4月，甘文濤回到了東北林業(yè)大學(xué)繼續(xù)從事科研工作。

木材是由多細(xì)胞組成的具有復(fù)雜層狀結(jié)構(gòu)和特殊分子力學(xué)現(xiàn)象的生物復(fù)合材料。針對(duì)木材細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和組分間鍵合機(jī)制復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的功能拓展和性能增強(qiáng)問(wèn)題，甘文濤基于木材細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)解譯技術(shù)，提出對(duì)木材細(xì)胞壁進(jìn)行組分解聚，隨后利用機(jī)械壓縮、表面涂層和化學(xué)改性等簡(jiǎn)單方法，調(diào)控木材結(jié)構(gòu)，提高木材綜合性能。木材在推向應(yīng)用時(shí)，其存在的防火隱患是人們首要擔(dān)心的問(wèn)題?；谀举|(zhì)結(jié)構(gòu)建筑的關(guān)鍵防火性能指標(biāo)，甘文濤提出了自形成致密碳化層防火和各向異性導(dǎo)熱涂層防火策略，這些研究成果發(fā)表在了權(quán)威國(guó)際期刊上。

深入研究工作中，甘文濤發(fā)現(xiàn)：納米材料與木材相結(jié)合時(shí)會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定性問(wèn)題。“很多開(kāi)展納米材料研究工作的科研工作者，幾乎都會(huì)研究界面問(wèn)題。因?yàn)榧{米材料的尺度效應(yīng)，其與異質(zhì)木材結(jié)合時(shí)，勢(shì)必就會(huì)存在界面不兼容的問(wèn)題?！备饰臐f(shuō)?；诩{米材料與木材界面不相容，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、均勻負(fù)載的問(wèn)題，他和研究團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了一系列科研攻關(guān)。

功夫不負(fù)有心人。通過(guò)科研探索，甘文濤團(tuán)隊(duì)成功發(fā)展了一類低溫水熱共溶劑策略，可在天然木質(zhì)細(xì)胞壁上做“加法”，以修飾磁性納米材料。此外，他們還探索了二元過(guò)渡族金屬離子體系在木材細(xì)胞壁中生長(zhǎng)和成核規(guī)律，掌握了磁性納米晶體形貌可控制備的關(guān)鍵技術(shù)，并充分挖掘了納米晶層可產(chǎn)生的多種效能，如阻燃性、疏水性、抗紫外老化性等，改善了木材的易燃性、尺寸不穩(wěn)定性和易老化性，同時(shí)賦予了木材磁性、熒光性、吸收電磁波特性等新功能，為木材仿生與智能化體系提供了新的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

在優(yōu)秀的技術(shù)成果支撐下，甘文濤積極與企業(yè)展開(kāi)技術(shù)合作?，F(xiàn)如今，他們已經(jīng)與多家企業(yè)建立了友好合作關(guān)系，服務(wù)于科研技術(shù)的轉(zhuǎn)化?！捌髽I(yè)往往更多關(guān)注一些實(shí)際問(wèn)題，而我們?cè)诳蒲泄ぷ髦懈嚓P(guān)注的是科學(xué)問(wèn)題?！备饰臐f(shuō)。而如何把企業(yè)關(guān)注的實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化成為科研工作者關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題，進(jìn)而開(kāi)發(fā)一些全新的技術(shù)，以解決企業(yè)所面臨的困境，并帶動(dòng)全新的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，便是甘文濤一直思考的問(wèn)題。未來(lái)，他仍會(huì)朝這一方向努力。

精心培養(yǎng)科研人才

恩師是引領(lǐng)甘文濤創(chuàng)新前行的燈塔。記得在甘文濤開(kāi)展學(xué)術(shù)研究的起步階段，他也經(jīng)歷了一段艱難的摸索時(shí)期。“當(dāng)時(shí)就是在不停地制訂實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行攻關(guān)探索?！备饰臐f(shuō)。在陷入科研進(jìn)展不順利、投稿被拒的困境時(shí)，是導(dǎo)師李堅(jiān)院士開(kāi)導(dǎo)他、幫助他，引導(dǎo)他逐漸走出了低谷。如今，甘文濤也擁有屬于自己的科研小團(tuán)隊(duì)。作為研究生們的導(dǎo)師，他也希望能像恩師一樣，影響更多的青年學(xué)子。

“獨(dú)立思考、精誠(chéng)合作”，是甘文濤從李院士身上學(xué)到的最大品質(zhì)。在甘文濤看來(lái)，科學(xué)研究中困難常在，遭遇困境時(shí)，科研人員絕不能尋找捷徑、復(fù)制他人的方法，而一定要有自己的見(jiàn)解，學(xué)會(huì)獨(dú)立思考科研問(wèn)題。

與此同時(shí)，甘文濤也強(qiáng)調(diào)合作的重要性。現(xiàn)如今，科學(xué)研究已經(jīng)離開(kāi)了單打獨(dú)斗的時(shí)代。每位科研人員術(shù)業(yè)有專攻，在這一背景下，團(tuán)隊(duì)人員一定要具有精誠(chéng)合作的理念，為科研探索架起一座橋梁，以更好地服務(wù)于科研成果的誕生。

教學(xué)相長(zhǎng)，立德樹(shù)人。作為一名大學(xué)老師，甘文濤致力于教好每一門(mén)課程，他最大的愿望就是希望能通過(guò)自己的引導(dǎo)，讓學(xué)生在大學(xué)4年學(xué)有所得，并切實(shí)感受到研究領(lǐng)域的發(fā)展前景，洞悉木材在成為主流可持續(xù)材料的可能性。從事教學(xué)工作以來(lái)，甘文濤也將多年在基礎(chǔ)理論與產(chǎn)業(yè)方面取得的成果，轉(zhuǎn)化為本科生與研究生的教學(xué)材料。目前，他所講授的本科國(guó)家級(jí)精品課“木材學(xué)”，以及研究生課程“木材科學(xué)基礎(chǔ)”與“木材仿生學(xué)”都將相關(guān)研究?jī)?nèi)容融入其中，深受學(xué)生與評(píng)教教師好評(píng)?！霸诮虒W(xué)方面，我還在不斷地思考更多的教學(xué)方法，希望在自己的引導(dǎo)下，學(xué)生都能實(shí)現(xiàn)自我價(jià)值的提升?！备饰臐f(shuō)。

科學(xué)研究永無(wú)止境。“多年投身在木材研究當(dāng)中，我發(fā)現(xiàn)這一科學(xué)領(lǐng)域還在不停地發(fā)展，至今仍有許多未解之謎?！备饰臐f(shuō)。今后，他還將從分子或者納米級(jí)角度來(lái)解析木材的組分結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。對(duì)于這些未知的謎題，甘文濤的探索欲望始終強(qiáng)烈。