

Q1:巩璞玥
蒋教授,您的研究中提到“环保型木材改性技术”能显著提升木材的疏水性和稳定性。能否跟我们科普一下,相较于混凝土和钢铁,木材为什么需要改善疏水性和尺寸稳定性?传统木材处理方式存在哪些局限性?您团队是如何突破这些瓶颈的?
A1:蒋军
——在一些特殊应用场景下,材料的整体疏水性和尺寸稳定性有待进一步改善的必要性。
木材作为一种天然生物基材料,主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,这使其极易吸收环境中或空气中的水分,导致在使用环境过程中出现尺寸不稳定。通俗地说,当木材吸收水分后,就像一块干海绵吸饱了水会膨胀一样,木材内部的细胞结构也会发生变化,导致它在尺寸上出现不同程度的改变。
这种尺寸不稳定,在一些对环境要求比较特殊的应用场合,尤其是水分湿度变化大的地方,问题就格外明显。例如,在建筑和家居领域,假设有一批木材,它们出自同一个厂家,规格也是统一的。但如果把这批木材分别用在北方和南方的项目中,就会遇到问题:北方和南方的空气湿度差异很大,北方相对来说湿度小一些,而南方湿度大一些。同一批木材到了不同湿度的地方,就像人到了不同气候的环境会“水土不服”,木材的尺寸会因为空气湿度的不同而发生改变。在南方高湿度环境下,木材可能会吸水膨胀;而在北方低湿度环境,木材又会失水收缩。因此,我们需提前调整木材本身含水率,使其与使用场地环境含水率平衡,以降低因吸湿/解吸带来的尺寸变化影响。通过有效处理改善木材疏水性和尺寸稳定性,能在很大程度上维持木材固有性能,提高其阻水能力,保证使用过程中的寿命耐久性和尺寸稳定性,进而保证结构稳定性和标准化作业的进行。

——传统方式通常在绿色可持续性、功能持久性、高效性等方面存在不足。
解决上述问题的传统方法主要涉及化学方法、物理方法、生物方法等。不过,这种做法也存在一定局限性。一方面,传统物理方法调整含水率的过程比较漫长,就像给一个口渴的人慢慢喂水,效率不高,导致处理后的木材性能还是不够稳定;另一方面,一些传统处理方式,可能对木材的一些其他性能产生负面影响,比如可能会降低木材的强度或者影响它的美观度。因此,如何解决上述问题,一直以来是科技工作者面临的重要挑战。
——敬畏自然,道法自然,自然界给了人类诸多启示。
我们团队从古老的硅化木形成中获得科技灵感,利用在地壳中含量丰富的矿物元素,结合现代科学技术手段,以“古为今用”的创作思路,在纳米级尺度范围内,利用溶胶-凝胶技术,在保留木材固有纹理属性的同时,高效赋予木材高表面强度、高尺寸稳定性和优异的力学性能和耐久性等。该技术方法,具备环境友好、绿色可持续、性能持久等特点,符合国家生态文明建设的发展理念。
Q2:巩璞玥
我们还注意到,您的论文中多次提到运用“响应曲面法”优化处理技术。请您结合木(竹)塑复合材料功能性良的案例,跟我们科普一下这是什么样的方法,它能解决什么样的问题?
A2:蒋军
——“响应曲面法”并非是一种材料处理手段,而是一种科学实验方法,它对以实验性为主体的理工科的科学研究帮助极大,为木(竹)塑复合材料功能性良研究提供了有效思路。
广义的木塑或竹塑复合材料,是以木(竹)材或者植物纤维为韧性材料,添加到聚合物(塑料)基体中,通过一定技术手段复合而成的一种生物基材料。作为一种绿色低碳材料,在人们的衣、食、住、行等日常生活各个环节都有应用场景,比如公园里的椅子,现在一些家用地板材料等,也会选择木塑这种形式。但如何基于科学理论支撑地研制出更符合场景应用需求、满足实际应用功能的高性能复合材料是该方向的重要挑战。
给予某一科学问题,严谨、客观、充足的科学论证是科技工作者一直以来追求的目标。从工科科学研究角度看,当针对某个目标结果存在众多导致结果差异的实验因素时,若单独探索每个因素对实验结果的影响,工作量极大。而响应曲面法通过科学参数设计以及对实验结果的客观准确记录,既能够可视化地展现实验参数对目标结果的影响程度,又能够科学展示各个实验参数之间的内在逻辑关系,并基于此提出与建立实验参数与目标结果之间的预测理论模型。借助该方法,可在减少工作量或实验次数的同时,为后续新材料研发、工艺优化、技术升级提供科学指导。

Q3:巩璞玥
您认为“数据科学”与“材料研发”的深度融合是否能够为生物质材料领域带来范式变革?
A3:蒋军
——“数据科学”与“材料研发”的深度融合必然会为生物质材料领域的科学研究带来重要影响。这种影响将涉及科学、技术、经济等诸多方面,甚至是某些特定领域的认知框架。
现阶段,新材料的研发不仅聚焦于性能的突破,这些工作,我国的科技工作者已取得了令人瞩目的成绩,而更应深度探索隐藏在高性能背后的科学逻辑。如何清晰梳理并揭示科学逻辑的外化形式,我想,“数据科学”在这方面具有重要价值,扮演着重要角色,体现了不可替代的作用。结合统计模型、数据可视化、金融建模、预测建模、系统构建等核心范畴,可以为科学研究与产业实践提供了多维度视角。这将有效降低科学研究从“实验室”到“产业化”的全阶段试错成本,更可以高效预测并反馈科学研究中的隐藏问题,从而及时调整科学研究思路,寻求其他角度的科技突破,降低了时间成本。

Q4:巩璞玥
在数字经济强调全链条创新的背景下,您如何看待学术界与产业界在数据共享、技术落地中的协作瓶颈与机遇?
A4:蒋军
——这是学术界和产业界共同面临的问题,也是国家层面高度重视的问题。全链条创新体系的提出,对于基础研究、技术开发、产业应用的有机衔接至关重要。
经济基础一直以来都是国家发展的重要命脉,从农业经济、工业经济到数字经济,都是布局大国发展的重要战略。数字经济的本质是信息的产业化和产业的信息化。科技发展的目的是更好地为产业服务,通过科技进步推动现代产业体系发展,实现产业升级和经济高质量发展。全链条创新体系的构建是联动学术界与产业界的“催化剂”和“润滑剂”,基于该创新体系的构架下,为高效促进知识流动、技术突破、成果转化等环节的落实,提供了有效路径。但在实际中,也存在一些问题,很多时候,学术界和产业界各自做着本领域的工作,关注侧重点不同,这就产生了壁垒。面对行业数字化转型,如何打破学术界和产业界之间的壁垒?如何衔接各个环节?如何“锁定”各个节点?让整个“链条”高效运用起来。这就需要学术界和产业界在资料共享、资源协同、资质互惠等方面实现深度融合,让学术成果有的放矢,带着目的做科研,解决企业问题,回归科学研究的本质,从而保障并助力推进国家经济高质量发展。
在产学研融合方面,学校层面和国家层面都在提倡相关工作,比如专业硕士和专业博士的培养,已经注重学术到产业的对接过程,这也是大多数科技工作者逐渐重视起来的工作。对于实践与科研难以平衡的问题,在两者之间构建起平衡的桥梁,一直以来是大家齐心协力想要完善的切入点,目前也在不断探索和改进中。
Q5:巩璞玥
展望未来,您认为环保型木材改性技术能否成为“绿色数字经济”的重要载体?您团队下一步是否会探索材料与数字技术的跨界融合?
A5:蒋军
——推动工业、城乡建设、交通运输、能源等重要领域的绿色低碳转型是国家层面的重要战略部署。
森林是天然的碳储存库,木材作为一种天然的生物基材料,在实现绿色低碳、循环可再生等方面具备显著优势。其中,环保型木材改性技术可有效延长木材及其制品的使用寿命(例如低碳建材、智能家居、装饰等),高效节约森林资源,有助于节能减碳,符合生态文明建设和绿色发展战略,助力碳达峰与碳中和目标实现。

以木(竹)材及其复合材料代替高碳排建材,对于发展和推动“绿色数字经济”具备积极效应。这主要体现在,在优化传统产业的发展进程中,结合信息化和智能化是有效路径,具有以下优势。其一,可以提高生产效率;其二,可以降本增效;其三,可以节能低碳;其四,可以带动大数据,信息技术,电子信息等相关领域的协同发展,助力实现智能化生产和低碳经济融合等,从而推动和实现产业的升级和技术的突破。据此,最终带动社会经济发展,并提高人民生活质量。
此外,我们一直非常关注材料科学与数字技术的深度融合,这为相关的研究提供了全新和独特的视角,我们已经在持续探索中。
