嚴(yán)永紅

能源的消耗利用，極大地改善了人類物質(zhì)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(tǒng)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(guān)注。

依照天然高分子的結(jié)構(gòu)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(dāng)今全球節(jié)能環(huán)保領(lǐng)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(zhì)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?！蹦暇┬畔⒐こ檀髮W(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院化學(xué)系教授劉大剛?cè)绱苏J(rèn)為。

田野里走出來的材料工作者

出生于20世紀(jì)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(dāng)?shù)厥重毨?，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(dāng)?shù)厮愕蒙现R分子，“家里的教育傳承還可以”，因此，劉大剛才能一路從小學(xué)、中學(xué)讀到大學(xué)，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(xué)也不是全身心地在學(xué)習(xí)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(xiàn)象，填滿了劉大剛的少年時代?！拔蚁矚g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(xiàn)象高度好奇培養(yǎng)了他對自然的無限興趣?？梢哉f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(dǎo)向，一步一步走進大自然深處。

從大學(xué)時期的化學(xué)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(zhuǎn)移到實驗室里的瓶瓶罐罐中，熱衷于探索天然高分子結(jié)構(gòu)的不規(guī)整性、分子間鍵全作用的復(fù)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(zhì)，其通過自然本身的循環(huán)作用，把這些生物質(zhì)當(dāng)作一種能量利用起來，通過不同形式的排列組合直接轉(zhuǎn)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(rèn)為，科研要取于自然，回歸自然?！袄秘S富的可再生材料，實現(xiàn)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(dāng)前，傳統(tǒng)能源在消耗過程中不可避免出現(xiàn)有毒物質(zhì)，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(nèi)外天然高分子領(lǐng)域研究腳步的加快，人們逐漸對天然高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、材料的降解循環(huán)利用有了深入了解。

劉大剛帶領(lǐng)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(zhuǎn)變，研究了尺寸轉(zhuǎn)變和形貌等對顆粒性質(zhì)的影響。該技術(shù)克服了傳統(tǒng)化學(xué)污染或者生物酶技術(shù)的不足，為天然高分子半結(jié)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(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛認(rèn)可。這些納米顆粒有效地增加了比表面積和相對官能團數(shù)量，卻保持了原始的剛性特征，當(dāng)嵌入柔性高分子鏈段中易形成“海-島”結(jié)構(gòu)。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(xiàn)軟硬兩相之間的有序結(jié)合，增加材料的抗蠕變性能。他們的研究受到關(guān)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(fù)其生物體內(nèi)纖維的膽甾相有序結(jié)構(gòu)。但是若在三維尺寸范圍內(nèi)實現(xiàn)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(diào)節(jié)納米晶表面電荷密度和手性旋轉(zhuǎn)調(diào)控具有長程有序結(jié)構(gòu)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(xiàn)出結(jié)構(gòu)顏色現(xiàn)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(xiàn)受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)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(xiàn)對天然高分子材料結(jié)構(gòu)性質(zhì)的調(diào)控和應(yīng)用。比如大豆蛋白質(zhì)是一種優(yōu)良的鈣離子結(jié)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(yīng)，區(qū)分出大豆蛋白質(zhì)球蛋白的二級結(jié)構(gòu)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(zhì)/木材的膠合界面，提出復(fù)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(guān)的膠黏劑產(chǎn)品并已實現(xiàn)了該技術(shù)的工業(yè)化，在環(huán)境公益和工業(yè)方面貢獻了技術(shù)力量。

眾所周知，重金屬離子污染極大地破壞了當(dāng)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(xiàn)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(lǐng)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(yīng)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(yīng)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(rèn)為，分離出細小的半結(jié)晶天然高分子納米結(jié)構(gòu)單元，改變、調(diào)節(jié)這些聚集體之間的作用力，調(diào)控手性結(jié)構(gòu)特征，繼而控制綠色組裝過程合成功能、智能材料，實現(xiàn)從仿生到創(chuàng)造智能材料的轉(zhuǎn)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(xué)家更注重科技成果的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研緊密聯(lián)合”。隨著國內(nèi)科研成果與產(chǎn)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(shù)自主創(chuàng)新和新產(chǎn)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(shè)計，然后嘗試著去完成”，劉大剛認(rèn)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(xiàn)出來的顏色搭配及圖案等轉(zhuǎn)移到人類的衣物制作上，而不是僅僅通過化學(xué)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(xué)的三尺講臺，開始了執(zhí)教生涯，并在這里一一實現(xiàn)著自己當(dāng)初的設(shè)想?！案慊瘜W(xué)科研，并非都是和有毒物質(zhì)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(zhì)等，很常見”。在指導(dǎo)學(xué)生做科研方面，他說，大自然才是人類的老師，鼓勵學(xué)生多接觸自然，在實驗里做基礎(chǔ)性研究時，只需要結(jié)合自然界中的現(xiàn)象來執(zhí)行就可以了。

放手讓學(xué)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(xué)生，“要想成為專業(yè)人才，基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)是必須的。擁有極強的目標(biāo)感，從多方面尋找解決問題的途徑以達到目標(biāo)，這樣才會有更多更好的東西被創(chuàng)造出來”，激發(fā)學(xué)生的自主性及興趣點，他認(rèn)為這是教師的職責(zé)所在。

誠然，以自然為導(dǎo)向，以生活為根基，取之于自然應(yīng)用于自然的科研技術(shù)，才會具有長遠的生命力。