快樂科研 躬耕講壇——記東北林業(yè)大學(xué)木材科學(xué)與工程系教授于海鵬

本刊記者 高慧娟

“木材具有奇妙的結(jié)構(gòu)、獨特的美感以及優(yōu)越的材料特性?！痹谄匠Ｈ搜劾锖敛黄鹧鄣哪绢^，在于海鵬的心里卻是“寶貝”。說起他的專業(yè)，這個年輕的學(xué)者話語中都是贊美，眼神里滿是自豪。

年僅34歲的于海鵬，已是東北林業(yè)大學(xué)的教授、博士生導(dǎo)師。他笑稱自己是“老東林人”，因為從18歲來到東北林業(yè)大學(xué)求學(xué)開始，他就再也沒有離開過。16年過去了，如今的于海鵬已成長為一位意氣風發(fā)的學(xué)者，在木材科學(xué)領(lǐng)域斬獲了累累碩果；同時也是一位深受學(xué)生歡迎的老師，為木材學(xué)科培育了一批批優(yōu)秀學(xué)子。

變廢為寶創(chuàng)造高附加值產(chǎn)品

工業(yè)文明的發(fā)展，使人類面臨的資源與生態(tài)危機愈演愈烈，而我國要在人均資源占有率低、生態(tài)環(huán)境脆弱和人力資源總體水平不高的國情下實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，以推動科技創(chuàng)新驅(qū)動生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是解決問題的重要途徑之一。

生物質(zhì)是生命活動產(chǎn)生的天然有機物質(zhì)，主要以木材、竹藤材、灌木、森林撫育和木材加工剩余物、農(nóng)作物秸稈等形式存在。生物質(zhì)廢棄資源來源廣闊、成本低廉，但傳統(tǒng)利用方法多是將它們制造人造板和生物質(zhì)復(fù)合材料，提高附加值一直是難點。于海鵬帶領(lǐng)的課題組針對生物質(zhì)細胞壁的層次結(jié)構(gòu)、埃米級的纖維素分子層、納米級的纖維素晶體超分子層、原纖超分子結(jié)構(gòu)層和微原纖聚集體的納米尺度特點，創(chuàng)新探索出分離制備高性能纖維素納米纖維的技術(shù)體系。這個技術(shù)具有自主的知識產(chǎn)權(quán)，已獲得3項國家發(fā)明專利授權(quán)，并且已和企業(yè)達成合作意愿，有望推向市場。

此外，在教育部新世紀優(yōu)秀人才計劃項目的支持下，于海鵬陸續(xù)展開基于納米纖維素的導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料、貴重納米藥物載體、生物保健材料、金屬納米材料合成模板等研究，為生物質(zhì)資源的進一步高附加值利用提供科學(xué)基礎(chǔ)。

“將來，化石資源枯竭后，生物質(zhì)基的功能品將成為石油基化學(xué)品和煤基化學(xué)品的主要替代品?！闭腔谶@一認識，于海鵬非常關(guān)注生物質(zhì)資源的開發(fā)利用，并會在將來開展更深入的研究。

納米防護催生高性能木材

納米技術(shù)發(fā)展的時間并不長，但卻在方方面面得以應(yīng)用，更是推動了科技的發(fā)展。在木材科學(xué)領(lǐng)域也不例外。木材作為一種對環(huán)境條件敏感的物質(zhì)，生物學(xué)屬性在利用中極易出現(xiàn)一些問題，如易吸濕變形、發(fā)霉、被腐蝕和蟲蛀、光變色、老化開裂、燃燒等，為了獲得穩(wěn)定的和長久的使用效果，木材使用前必須進行適當?shù)谋Ｗo和改良處理。而大量研究表明無機納米粒子特別是晶態(tài)納米金屬氧化物能夠產(chǎn)生透光、增強、耐水、隔熱、防火、殺菌、自潔等效果，可以運用到材料保護中。

于海鵬課題組從抑制生物質(zhì)材料的固有缺陷、改善品質(zhì)、提高性能和賦予新的功能出發(fā)，在國家自然科學(xué)基金項目“低溫水熱共溶劑法木材表面納米晶層可控生長機制及功能效應(yīng)”的支持下，進行了功能性生物質(zhì)/無機納米復(fù)合材料的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究，攻克了生物質(zhì)材料表面原位合成納米TiO2、ZnO、SiO2、Mg(OH)2、CaCO3、Al2O3晶層的技術(shù)難題，實現(xiàn)了對木材表面所負載的無機礦物形貌、尺寸、晶型和生成量的調(diào)控。此外，以應(yīng)用為導(dǎo)向，研究并解析了無機納米晶層對改善木材性能的影響，使得木材的應(yīng)用更穩(wěn)定、空間更廣闊。項目已獲得2項國家發(fā)明專利授權(quán)，相關(guān)技術(shù)不僅在實驗室可行，而且在工業(yè)上也容易實現(xiàn)，未來有可能取代木材有機浸漬改性而成為木材功能改良的新熱點。

“從發(fā)展高性能、低成本的木材功能性改良方式和減少對環(huán)境污染的角度來看，木材的無機納米防護和功能改良研究是重要發(fā)展方向之一。我們當前的任務(wù)就是努力實現(xiàn)納米晶層的快速、有效和節(jié)能合成，使得該項研究未來更具應(yīng)用空間。”對這個研究方向的發(fā)展，于海鵬同樣充滿了信心。

木質(zhì)環(huán)境提高居住質(zhì)量

人類自古就用木材來裝點室內(nèi)環(huán)境，制作室內(nèi)用家具，提高居住環(huán)境的舒適性，對其開展研究有助于揭示木材具有優(yōu)良環(huán)境學(xué)品質(zhì)的深層次原因，為指導(dǎo)木材和木質(zhì)材料在居住環(huán)境中的科學(xué)使用，進而為提高人類居住質(zhì)量和健康水平提供科學(xué)依據(jù)。

于海鵬針對木材微觀構(gòu)造的自動定量求取問題，以數(shù)字圖像處理結(jié)合二值形態(tài)學(xué)技術(shù)實現(xiàn)了木材解剖構(gòu)造特征參數(shù)的高效測量、木材組織比量的計算機測量，進一步豐富了木材生長輪構(gòu)造特征的機器視覺分析技術(shù)，該技術(shù)目前已取代傳統(tǒng)測量方式被廣泛使用到木材組織構(gòu)造的檢測與分析。

在國內(nèi)率先嘗試應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)解決木材紋理定量化表征問題是另一個突出的創(chuàng)新點。他們定義了木材的紋理物理量，從空間域和頻率域基于灰度共生矩陣、行程長度統(tǒng)計法、小波法、分形模型、Radon變換等綜合分析了木材的紋理特征特點，構(gòu)建出木材紋理特征參數(shù)體系，在此基礎(chǔ)上研究了木材視覺物理量的影響規(guī)律和應(yīng)用效果；針對木材樹種檢索和識別的技術(shù)需求，采用基于圖像內(nèi)容的CBIR技術(shù)，解決了適合木材特點的HSV非等間隔量化、特征向量提取與降維、關(guān)系數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、相似性匹配、檢索平臺實現(xiàn)等技術(shù)難題，開發(fā)出木材圖像自動檢索系統(tǒng)。

此外，他們開展了木質(zhì)環(huán)境學(xué)品質(zhì)因子和建筑物理特性分析、對人體心理生理影響分析工作，采用心理生理學(xué)方法，動態(tài)監(jiān)測人體的心率變異、脈搏、動態(tài)連續(xù)血壓、腦電頻率、體溫等指標，其目的都是為了研究木材環(huán)境學(xué)品質(zhì)與人體生理指標的影響變化規(guī)律，用優(yōu)質(zhì)的木質(zhì)環(huán)境提高人們的居住質(zhì)量。

三尺講臺培育創(chuàng)新人才

從2005年7月取得博士學(xué)位起，于海鵬就在東北林業(yè)大學(xué)木材科學(xué)與工程專業(yè)承擔教學(xué)和教改工程任務(wù)。作為《木材學(xué)》國家級精品課程和《木制品生產(chǎn)工藝學(xué)》黑龍江省精品課程成員、“木材學(xué)系列課程”國家級教學(xué)團隊核心成員、省級實驗教學(xué)示范中心和教育部卓越工程師計劃成員，他一直積極參與課程和團隊的建設(shè)工作。

在課程講授過程中，于海鵬注重積極擴展專題和實驗內(nèi)容，教學(xué)效果受到了研究生們的好評。例如在《木材物理學(xué)與檢測技術(shù)》課程中側(cè)重教學(xué)內(nèi)容的更新與改革。授課過程中，考慮到學(xué)位課的基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性和專業(yè)性，在基礎(chǔ)知識點方面注意與材料學(xué)、高分子科學(xué)、納米科學(xué)與技術(shù)、材料分析技術(shù)等融合，積極學(xué)習不同學(xué)科的知識，并將學(xué)到的新知識運用到課程的輔助教學(xué)與研究之中，以不斷發(fā)展木材科學(xué)的內(nèi)涵和外延，帶給研究生寬廣的視野和知識面。

在《木材學(xué)》教學(xué)中注重教學(xué)方法和手段的靈活運用與結(jié)合。他認為，首先要具有先進的教學(xué)理念，從“以教師為中心”到“師生共同探索”，從“以教材為中心”到“教材和課外讀物相輔”，從“以課堂為中心”到“課堂與實踐并重”，從“以傳授知識為中心”到“傳授知識與培養(yǎng)能力并重”，“以學(xué)會為中心”到“以會學(xué)為中心”。其次，要具有豐富的教學(xué)模式，針對學(xué)生的特點和興趣，采用情趣教學(xué)法、案例教學(xué)法、討論教學(xué)法等多種方法進行教學(xué)，充分調(diào)動了教與學(xué)、師和生之間的溝通、對話和互動。第三，充分運用了多媒體教學(xué)手段，采用優(yōu)秀的多媒體資源。這一系列探索和革新都取得了很好的教學(xué)效果，走出了一條具有鮮明特色的木材科學(xué)教育之路。

“感受最深的是于老師的授課技巧和人格魅力，讓我們在學(xué)習的過程中能夠?qū)W有所悟，對科研產(chǎn)生興趣，并在聽課的快樂中完成了從本科生到研究生的心態(tài)和學(xué)習方式的轉(zhuǎn)變，對我們研究生階段的學(xué)習和工作具有積極的影響。”這是學(xué)生發(fā)自肺腑的感激，也是于海鵬在三尺講臺上繼續(xù)耕耘的動力和目標。