深耕木材智能仿生 提升林木資源利用
——記東北林業大學材料科學與工程學院教授甘文濤

衛婷婷

甘文濤

我國木材資源豐富。改革開放40多年來，中國已成為世界最大的木材與木制品加工國、貿易國和消費國。幾十年來，隨著木材資源的用量增加，我國優質天然林的消耗程度也逐漸加深。在這一背景下，我國制定了《全國天然林保護修復中長期規劃（2021—2035年）》（以下簡稱“規劃”），規劃提出，要推動全國天然林全面持續保護。這一規劃的啟動與實施，便是中國林業從以木材生產為主向以生態建設為主轉變的標志性事件。

事實上，隨著國家經濟實力的提升與人民生活水平的提高，木制材料在居家、環保方面的需求一直居高不下。“自然界存在的很多生命現象，都是通過億萬年來的物競天擇得到的最優生長方式，并形成與環境相互適應的能力。在這樣的科學理念支撐下，我們就可以通過利用現代化的加工手段，將一些現象嫁接到木制品中，以達到讓木材功能增強和增效的目的。”東北林業大學材料科學與工程學院教授甘文濤說。多年來，他通過仿生自然界生物的結構、形貌、活動規律，以及與周圍環境響應機制等，大力研究木材仿生與智能化相關技術，以期為木材加工工業的節能減排和提質增效提供相關理論基礎。

從湖南到東北的求學之旅

1993年，甘文濤出生于湖南。17歲時，抱著求知的渴望，他來到東北林業大學求學，這一去就是10年。東北林業大學是一所以林科為優勢、林業工程為特色的院校，在這里，甘文濤與木材科學結緣，并對此萌生了極大的興趣。

本科畢業后，甘文濤以優秀的成績得到了在東北林業大學木材科學與技術專業碩博連讀的機會。在這一階段，他遇到了自己的恩師李堅院士。作為我國木材科學界的知名專家，李堅院士一直致力于讓木制品制造打破傳統框架，提高整個木材產業鏈的科技含量，使其站在更高的技術水平為社會進步服務。當時，甘文濤就被李堅院士所描繪的這幅藍圖所深深吸引。在李院士的引導下，他開始了仿生構建木基磁性材料及其功能的研究。深入其中之后，甘文濤發現：在木材仿生智能材料的初步探究中，當時仍有一些未能攻克的研究瓶頸。在這一背景下，他決定前往國外學習、交流以尋求讓自己的科研之路“更進一步”的方法。

2017年10月，甘文濤在國家留學基金委員會的資助下，來到了馬里蘭大學材料科學與工程專業進行學習。“當時我就想拓寬一下視野，學習一些國際上頂尖研究團隊的研究方法和理念。”甘文濤說。在那里，甘文濤與馬里蘭大學胡良兵教授展開合作交流。胡良兵教授在可持續材料領域具有豐富的經驗，他對木材的研究更多的是從材料的角度出發，并在其基礎上設計了更多新的材料。在馬里蘭大學為期兩年的研究歷程中，甘文濤有幸參與到了《科學》（

Science

）、《自然》（

Nature

）等期刊其他專業論文的相關理論研究工作中。這些工作給了甘文濤極大的啟發，讓他學到了要跳出研究的框架思考科研問題。“雖然我們是學習木材的，但是我們不能把條條框框都束縛在木材上。”甘文濤說。他堅信打破思維的束縛，才能做出讓人眼前一亮的創新工作。

回歸母校開展木材研究

東北三省物資富饒，是我國重要的木材生產基地，這里的林業用地面積達3875萬公頃，占全國的14.7%，森林覆蓋率達39.6%，遠遠高出全國森林覆蓋率16.55%的水平。但是近些年來，東北也不得不面臨著科研人才“孔雀東南飛”的現狀。在這一背景下，東北林業大學也施行了一系列人才扶植政策。在母校情結和對木材科學的熱愛驅使下，2020年4月，甘文濤回到了東北林業大學繼續從事科研工作。

木材是由多細胞組成的具有復雜層狀結構和特殊分子力學現象的生物復合材料。針對木材細胞壁結構和組分間鍵合機制復雜，難以實現穩定、高效的功能拓展和性能增強問題，甘文濤基于木材細胞壁結構解譯技術，提出對木材細胞壁進行組分解聚，隨后利用機械壓縮、表面涂層和化學改性等簡單方法，調控木材結構，提高木材綜合性能。木材在推向應用時，其存在的防火隱患是人們首要擔心的問題。基于木質結構建筑的關鍵防火性能指標，甘文濤提出了自形成致密碳化層防火和各向異性導熱涂層防火策略，這些研究成果發表在了權威國際期刊上。

深入研究工作中，甘文濤發現：納米材料與木材相結合時會產生穩定性問題。“很多開展納米材料研究工作的科研工作者，幾乎都會研究界面問題。因為納米材料的尺度效應，其與異質木材結合時，勢必就會存在界面不兼容的問題。”甘文濤說。基于納米材料與木材界面不相容，難以實現穩定、均勻負載的問題，他和研究團隊展開了一系列科研攻關。

功夫不負有心人。通過科研探索，甘文濤團隊成功發展了一類低溫水熱共溶劑策略，可在天然木質細胞壁上做“加法”，以修飾磁性納米材料。此外，他們還探索了二元過渡族金屬離子體系在木材細胞壁中生長和成核規律，掌握了磁性納米晶體形貌可控制備的關鍵技術，并充分挖掘了納米晶層可產生的多種效能，如阻燃性、疏水性、抗紫外老化性等，改善了木材的易燃性、尺寸不穩定性和易老化性，同時賦予了木材磁性、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和技術支撐。

在優秀的技術成果支撐下，甘文濤積極與企業展開技術合作。現如今，他們已經與多家企業建立了友好合作關系，服務于科研技術的轉化。“企業往往更多關注一些實際問題，而我們在科研工作中更多關注的是科學問題。”甘文濤說。而如何把企業關注的實際問題轉化成為科研工作者關注的科學問題，進而開發一些全新的技術，以解決企業所面臨的困境，并帶動全新的產業鏈發展，便是甘文濤一直思考的問題。未來，他仍會朝這一方向努力。

精心培養科研人才

恩師是引領甘文濤創新前行的燈塔。記得在甘文濤開展學術研究的起步階段，他也經歷了一段艱難的摸索時期。“當時就是在不停地制訂實驗方案，進行攻關探索。”甘文濤說。在陷入科研進展不順利、投稿被拒的困境時，是導師李堅院士開導他、幫助他，引導他逐漸走出了低谷。如今，甘文濤也擁有屬于自己的科研小團隊。作為研究生們的導師，他也希望能像恩師一樣，影響更多的青年學子。

“獨立思考、精誠合作”，是甘文濤從李院士身上學到的最大品質。在甘文濤看來，科學研究中困難常在，遭遇困境時，科研人員絕不能尋找捷徑、復制他人的方法，而一定要有自己的見解，學會獨立思考科研問題。

與此同時，甘文濤也強調合作的重要性。現如今，科學研究已經離開了單打獨斗的時代。每位科研人員術業有專攻，在這一背景下，團隊人員一定要具有精誠合作的理念，為科研探索架起一座橋梁，以更好地服務于科研成果的誕生。

教學相長，立德樹人。作為一名大學老師，甘文濤致力于教好每一門課程，他最大的愿望就是希望能通過自己的引導，讓學生在大學4年學有所得，并切實感受到研究領域的發展前景，洞悉木材在成為主流可持續材料的可能性。從事教學工作以來，甘文濤也將多年在基礎理論與產業方面取得的成果，轉化為本科生與研究生的教學材料。目前，他所講授的本科國家級精品課“木材學”，以及研究生課程“木材科學基礎”與“木材仿生學”都將相關研究內容融入其中，深受學生與評教教師好評。“在教學方面，我還在不斷地思考更多的教學方法，希望在自己的引導下，學生都能實現自我價值的提升。”甘文濤說。

科學研究永無止境。“多年投身在木材研究當中，我發現這一科學領域還在不停地發展，至今仍有許多未解之謎。”甘文濤說。今后，他還將從分子或者納米級角度來解析木材的組分結構與性能之間的關系。對于這些未知的謎題，甘文濤的探索欲望始終強烈。