WILEY 人物访谈——西南大学黄进教授

全球温室效应日益严重,气温持续升高可能会打乱全球数百万人的生活,甚至全球的生态平衡,尽早提出一些措施以抑制温室效应的恶化显得十分必要。我国作为世界大国,亦摆出了大国应有的姿态,提出“2030年碳达峰,2060年碳中和”的国家战略。这也对科研工作者提出了新的挑战:如何降低碳排放?如何提高碳捕获?本周的Wiley人物访谈,我们访谈一位优秀的青年科学家——黄进教授,黄教授长期从事于生物质资源化领域,从如何降低碳排放入手,致力于生物质资源化及材料制造与应用的降原料消耗轻量化的研究,为我们介绍生物基材料在资源化过程中的优势、问题以及前景。

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人物简介

黄进,西南大学教授、博士生导师,中国科协首席科学传播专家,入选教育部新世纪优秀人才、重庆英才、江苏省高层次创新创业人才。现任软物质材料化学与功能制造重庆市重点实验室主任和重庆市高校创新群体负责人、重庆英才安全防护纳米新材料与智造技术创新创业团队负责人、重庆市科协生物质大分子材料国际研发中心主任、西南大学化学材料军民融合协同创新中心主任、可持续材料“一带一路”国际联合研究实验室主任。专注高分子材料与纳米技术和制造技术的交叉研究,承担了国家自然科学基金、国家863计划、国家国际科技合作专项、军品民口配套项目、欧盟第七框架计划等项目与课题30余项。已在SCI期刊发表研究论文200余篇,获得授权发明专利80余项并转让6项。主编《Nanocellulose: From Fundamentals to Advanced Materials》、《Polysaccharide-Based Nanocrystals: Chemistry and Applications》(中文版《生物基聚多糖纳米晶-化学及应用》,国家科学技术学术著作出版基金资助)、木质素化学及改性材料(英文版《Lignin Chemistry and Applications》)等专著教材和科普书籍8部(本)并参编中英文专著和教材8部(本)。获教育部科技进步二等奖、重庆市自然科学二等奖、重庆市产学研创新贡献奖、重庆市产学研创新成果一等奖、江苏纺织技术创新奖、中国石油和化学工业优秀出版物奖-教材奖二等奖等鼓励。

了解生物基

MVC:能否请您简单介绍一下课题组目前的主要研究工作呢?您对哪些研究方向比较感兴趣呢?

黄进(以下简称HJ):我们课题组秉承可持续发展战略,致力于材料来源的生物质资源化及材料制造与应用的降原料消耗轻量化的研究,尤其是围绕纤维素纳米晶为代表的天然高分子向高值材料转化、生物基聚酯为代表的降解型材料轻质高性能和功能化、负泊松比超结构的免支撑增材制造及军民应用等方向取得系列进展,这也顺应了当前绿色循环经济体系建设及“碳达峰、碳中和”的国家政策。我们课题组的研究思路是以分子水平结构调控的化学研究为基础,探索其对材料结构与性能的大尺度甚至宏观的放大效应,发展从基础研究到成果转化应用的制造技术,尤其对纤维素纳米晶向材料转化的特色优势和应用必要性、结构单色生物基材料的多尺度组装方法及发光增强机制叠加策略、面向“限塑令”下多端市分级次需求的降解型功能性生物基材料、中空复杂结构和悬桥跨度结构3D打印的免支撑普适性策略等方向具有浓厚的研究兴趣。

MVC:您对生物基材料了解颇多,可以请您谈一谈生物基材料有哪些优势吗,以及存在哪些问题呢?

HJ:生物基高分子材料其根本来源是丰富的农林和海洋生物质资源,生物质资源向材料的转化主要有两条途径,其一是生物质资源经生物炼制获得低碳数的平台化合物,继而通过化学反应和聚合方法制备生物基化学品或生物基材料;其二是将生物质资源的天然高分子直接引入材料体系,能向材料转化的天然高分子通常会经历分离纯化等处理过程以保证组成、分子结构的尽可能明确以及分子量和分子量分布的一定范围可控。首先,生物基材料最大优势是相对于石化资源材料具有绿色循环经济体系建设密切关联的碳循环利用优势。石油资源是把固定了少则几百年、长达数亿年的碳在经向材料转化服役后释放于环境,大多石油基材料的非降解性会造成大量堆积而加重环境的负荷,如果采用焚烧等形式则形成的二氧化碳气体将加速生态体系碳量上升造成环境恶化。植物通过光合作用吸收二氧化碳并固定成有机碳提供可向材料转化的生物质资源,而且生物质资源的供给周期与材料制造、服役、循环利用或废弃转化的全生命周期相当,凸显环境友好优势。同时,全球限“限塑令”大环境下,降解型生物基塑料更是有利于减轻生态环境的负荷,推动石化基材料向生物基材料的转型。为了提高生物基材料在性能、价格等方面的竞争力,针对低端同质化竞争严重的问题,上述生物质资源向材料转化的两条途径亟需在以下方面获得进展甚至突破:平台化合物生物炼制和天然高分子分离纯化需建立以环境负荷最低化为目标的绿色过程技术,尤其是获得的天然高分子需要在组成纯度、化学结构、分子量及其分布等方面稳定可控,由此奠定生物基材料发展的物质基础。

MVC:人类进化史也是一部材料进化史,从石器时代到如今的硅时代、功能高分子时代,您可以简单谈一谈哪些材料的出现彻底的改变了人们的生活吗?

HJ:材料的发展史就是一部人类文明的进化史,我深深感受到我所从事的高分子材料领域对我们生活的巨大改变,尤其是高分子材料凭借其柔韧性、可塑性甚至智能性等特征,在信息、医学、环境、宇航、交通、建筑、日用、军工等众多行业领域大幅地替代了金属、陶瓷等类型的材料。尤其是高分子导电性的发现以及导电高分子材料的发展,使我们生活的电子信息用品走进了柔性智能的易携带或可穿戴时代,正改变着我们的生活观念和生活习惯。

MVC:能源危机是全世界人类共同面临的难题,我国地大物博,生物质资源丰富,倘若可以有效的利用起来,是百利无一害;对于如何实现生物质高效的资源化利用,存在哪些问题吗?

HJ:生物炼制获得能源或材料用小分子平台化合物是生物质资源化利用的重要途径。其中,最大的问题是转化过程中生物质资源复杂组分对转化效率的干扰甚至抑制,同时高分子向小分子的降解控制也是制约定向获得特定结构平台化合物的关键问题。即时直接利用生物质资源的高分子组分向材料转化,其因来源多样性的组成、化学结构以及分子量、分子量分布、聚集态结构等大分子特征的差异性,成为作为材料稳定原料的首要问题。因此,如何绿色分离获得纯度高且化学结构、分子量及其分布、聚集态结构可控的原料,或者建立多级次结构层面不稳定因素甚至复杂组分对材料影响的基因性规律,是将天然高分子等生物质资源直接向材料高值、高效、高量转化应用的关键。

科研历程

MVC:在您的众多优秀成果中,哪些工作是您最喜欢或者最值得骄傲的呢?

HJ:和众多科研工作者一样,我们科学探索过程中最值得回味的就是能够应用所学的基础知识和科学原理创新产出应用价值或者获得新启示发现的成果。我和课题组甘霖博士就曾立足于慢光子效应非线性光学增强理论和组装基元的维度效应,理性预测并成功发展了生物质纳米颗粒“组装诱导结构色单色发光”策略,发展了纤维素纳米晶及其物质协同体系的单轴定向组装和限域纳米尺度寡基元组装的方法,联合运用表面电荷分布调控和物质共组装等多策略方法优化棒状颗粒单轴取向度,构建微环境负载隔离功能基元有效地实现了等离激元发光增强机制的叠加,发展了固态量子产率能达到商用要求60%以上的纤维素纳米晶单轴定向组装结构单色膜与可个性化涂绘书写结构单色油墨,显示出应用于免光漂白的光学信息加密防伪材料的潜力,正稳步推进该成果的应用技术并力争在百亿级信息防伪产业中得以转移转化。同样的喜悦来自于针对负泊松比超结构的创新设计及免受材料和设备类型限制的“无门槛”程序控制制造,发展了能与现行通用3D打印设备相适应的复杂中空结构“免支撑”3D打印技术,建立了适合多种材料类型的负泊松比值可调控的结构及对应打印算法的调整方法,成为轻质化同步结构层面高性能化的普适策略与方法,已在个体军民用装备个性化制造方面进行了成功探索。

MVC:请问在您的科研生涯中,哪些事情或者哪些人对您产生过重要影响呢?

HJ:我科学研究的引路人是我的导师—武汉大学张俐娜院士,时常思忆与恩师相处的点点滴滴,数年前从武汉回到家乡—重庆工作时的叮嘱记忆犹新,那次长谈恩师给予了我静心科研创新的要求与鼓励,她对我说“回到重庆要脚踏实地,为学科建设服务,为地区经济服务,更要为社会发展服务”。先生一辈子追寻绿色人生,致力于社会可持续发展。她的精神和教诲成为我不断前行的动力。还有一件发生在我到中国科学院化学研究所进行博士后研究时的事,也让我至今印象深刻。那是陈永明老师(现在中山大学工作)在第一次考察我时,告诉我“科学研究的最高境界就像手心和手背一样,手心是高水平基础理论,翻过来手背能实现成果转化应用”。短短的话语成为了我工作的行为准则,持续追求着基础研究能够在产业应用中诞生成果。

MVC: 您在科研历程中遇到过的最大困难是什么?您是如何克服这些困难的呢?您认为这些困难对您的成长有怎样的影响?

HJ:万事开头难,科研入门是最重要也是最艰难的一步。我科研的第一个题目就是张俐娜老师交给我的“木质素向材料转化”课题,这对于刚刚进入研究生学习生活的我而言无异于一个巨大的挑战,也是我开启学术科研生涯攻克的第一个难关。那时不知道“研究”为何物,也不知从何入手。面对全新的领域甚至研究的对象—“木质素”毫不了解,一时竟没了方向,那个年代的信息技术也无法给我“百度”、“谷歌”。但是,正是在这种情况下,让我去探索了更多的文献资料的快捷获取方法,让我能够从纷杂的数据资料中找到关联性,让我有了更多提出问题和独立思考解决问题的机会,由此丰富了我的研究思路并掌握了独立创新科研的能力,为我直至今天从事科研工作打下了扎实的基础。

MVC: 科研工作之余,您有哪些兴趣爱好呢(期待您的分享)?它们在您走出低谷、挑战困难过程中,发挥了怎样的作用?

HJ:我喜欢运动,尤其喜欢足球,闲暇之余就会酣畅淋漓地投入一场足球赛。足球是一种需要团队成员紧密配合、团结协作的运动,在享受足球的同时更培养了我们团结协作团队精神。我虽然天生缺乏音乐细胞,但是很喜欢聆听音乐,音乐总能让我沉静下来思考很多棘手的问题并找到解决方法。唯有美酒与美食不可辜负,美食让我时刻体会生活的美好,品美酒抒心情,酣畅一醉释放,积极生活、乐观面对

天马行空

MVC:生物质材料含有丰富的碳元素,可以存储大量的化学能源;有没有可能以生物质碳为载体实现完全无二氧化碳排放的能量循环过程?

HJ:让生物质材料尽可能向生物质碳转化,的确是实现无二氧化碳排放的理想的能量循环过程。但是,实际上以生物质碳为载体完全实现无二氧化碳排放的能量循环很难实现,首先生物质材料向生物质碳转化需要特殊甚至苛刻的条件,即时如此该转化过程能否实现碳当量的100%等效仍是一个巨大的挑战。无论如何,这个理想方案给了我们科研工作努力的方向,期望对生态环境中人类活动影响下碳循环轨迹的不断深入认识,持续探索生物质材料向碳的高转化率技术,综合考虑生物质材料向能源转化的碳排放量与植物固碳周期及固碳量的平衡性,通过碳平衡实现生态环境二氧化碳无增量,推进低碳排放甚至无二氧化碳增量的能源供给体系建设。

MVC:植物生态对地球生物圈的稳定有着至关重要的作用,人类文明能否与植物生态形成完美融合的共生生态呢?

HJ:人类文明与植物生态形成完美融合的共生生态,实现人类活动碳排放与植物碳固定理想化平衡态,是人与自然和谐相处的最优方式。随着“碳达峰、碳中和”等发展战略的提出,逐步进入生物基材料和生物质能源的时代,生物质资源与植被生态密切相关,我们要均衡植被生态稳定与生物质资源的准许开发利用量,计算下整个植物生态系统的碳量增减,生物质资源向能源和材料转化的碳循环与植物生长的固碳周期要平衡,由此实现人类文明与植物生态完美融合的共生生态。