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一路逆袭!从辍学少年到武大教授,他的故事感人至深!

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高分子科学前沿 2021-12-01 13:55

今年10月28日,由《麻省理工科技评论》评选出的亚太区“35岁以下科技创新35人”名单正式发布。来自于亚太地区10余个国家的35名获奖的年轻学者,既有各研究单位的科研人才,又有高科技企业的创新领袖,覆盖了生命科学、人工智能、能源环境、先进材料等新兴科技领域。其中,陈朝吉,一名年轻的、致力于以天然材料解决可持续发展面临的材料-能源-环境问题的武汉大学教授,吸引了在场所有人的注意。

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图1:陈朝吉教授在“35岁以下科技创新35人”颁奖现场

“如果没有读书,现在应该在卖猪肉吧……”

会议期间,陈朝吉在台上向众人展示了自己博士期间及现在的研究课题及成果。落落大方的姿态、丰厚的科研成果,让人不由得想象这样的年轻人来自于什么书香门第。而令人震惊的是,当记者好奇地问及这位青年学者的生平时,陈朝吉笑着调侃自己:

——“如果没有读书,现在应该在卖猪肉吧……。”

陈朝吉自述出生在广东雷州海边的一户农家。由于家庭贫困,他小学毕业即辍学在家,不仅要帮忙干农活,还要在海边捡螃蟹、塑料瓶等补贴家用。

即使辍学在当时周围的贫困村庄都较为普遍,陈朝吉也没有因此放弃对读书的渴望。偶然得知有一场通过就可以直接上初三的考试后,他白天帮家里干活,而每个晚上,就在昏暗的光线下自学中学知识。最后,他成功通过考试重回校园,并以优异的成绩在中考前被提前保送到湛江市二中实验班免费读高中。

2006年,陈朝吉以优异的成绩被华中科技大学材料学院录取

2010年,他加入材料学院黄云辉教授课题组,在导师黄云辉教授和胡先罗教授的指导下,直接攻读博士,开始了对储能材料和器件的研究。

博士毕业后,陈朝吉加入华中科技大学谢佳教授课题组进行博士后研究。

再后来,他又前往美国马里兰大学帕克分校胡良兵教授课题组进行第二期博士后的研究。在这个木材与纤维素领域著名的课题组中,陈朝吉聚焦木材及纤维素材料的结构设计及功能化利用,开始了他在该领域的探索之旅。

会中,陈朝吉说,他永远不会忘记曾经那个差点就去卖猪肉的少年,感谢曾经那个坚定每一个选择的自己。

“科技创新35人”奖项的获得为陈朝吉带来了大量关注。而实际早在2018年,陈朝吉就已在科研上渐露头角,以共同一作的身份发表了他在《Nature》上的第一篇文章,并接连获得“2018 R&D 100 Awards”、“马里兰大学2018年度发明奖”(为物质科学领域唯一入选)、“2021中国新锐科技人物卓越影响奖”等奖项。同时,他连续入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”2019年、2020年榜单(位于前0.3%),以及科睿唯安“全球高被引科学家”2021年榜单(材料科学领域)。接下来我们一起来了解陈朝吉作为核心成员在国际顶尖期刊上发表的代表性成果。

超级木材,媲美铝合金

2018年2月8日,陈朝吉以共同第一作者的身份(第一作者:宋建伟、陈朝吉、朱书泽、祝名伟;通讯作者:胡良兵、李腾)在《Nature》上发表了发表了题为“Processing bulk natural wood into a high-performance structural material” 1的成果。

该文章报道了一种简单有效的方法,通过让天然木材在NaOH和Na2SO3的水性混合物中沸腾,去除木质素和半纤维素后进行热压,使细胞壁完全坍塌,天然木材完全致密,并具有高度排列的纤维素纳米纤维这使得天然木材直接转化为高性能结构材料,其强度、韧性和防弹力增加十倍以上, 其拉伸强度达到587 MPa,可以和钢材媲美;而比拉伸强度高达451 MPa cm3/g,超过几乎所有的金属和合金材料,甚至包括钛合金(244MPa cm3/g)。且该方法被证明对各种木材普遍有效,可使木材成为低成本、高性能、轻质的金属替代品。论文一经发表,获得了 锁志刚院士、 高华健院士的高度评价。

图2:致密化木材的加工方法及力学性能

再次刷新人们对于木头的认知!

而在今年10月,陈朝吉和同事们(第一作者:肖少良,陈朝吉,夏芹芹,刘宇,通讯作者:胡良兵)在《Science》上发表了题目为“Lightweight, strong, moldable wood via cell wall engineering as a sustainable structural material” 2的成果,并被选为当期杂志的封面文章

在这一成果中,作者使用细胞壁工程将硬木板塑造成多功能三维结构的加工策略。在分解木材的木质素成分并通过蒸发水关闭导管和纤维后,通过快速的水冲击使部分木材重新膨胀,选择性地打开导管。这形成了一种独特的褶皱细胞壁结构,使材料可以折叠并塑造成所需的形状。由此产生的三维成型木材比起始木材强六倍,可与广泛使用的轻质材料(如铝合金)相媲美这种方法大大扩展了木材这种可持续和高性能材料的多功能性,可谓是造出了强度与钢铁一样高,密度却只有钢铁的六分之一的“超级木材”,使木材成为结构应用中塑料和金属的潜在替代品。

图3:通过细胞壁工程加工策略使木材更坚固并可塑造

木材纤维素,助力可持续发展

除“超级木材”外,陈朝吉联合同事们(第一作者:夏芹芹,陈朝吉;通讯作者:胡良兵、耶鲁大学姚媛),把木材又玩出了新花样。相关论文以A strong, biodegradable and recyclable lignocellulosic bioplastic”为题,发表在《Nature Sustainability》上3。该论文报告了一种简便的原位木质素再生策略,从木质纤维素资源(例如木材)合成高性能生物塑料。在这个过程中,天然木材的多孔基质被解构,形成均匀的纤维素-木质素浆液,其特征是再生木质素和纤维素微/纳米原纤维之间具有纳米级缠结和氢键。由此产生的木质纤维素生物塑料显示出高机械强度、优异的水稳定性、抗紫外线性和更高的热稳定性且对环境友好。这种原位木质素再生策略为生产坚固、可生物降解和可持续的木质纤维素生物塑料提供了简便可行的方法,使其可作为石化塑料的潜在替代品。

图4:原位木质素再生法制备木质纤维素生物塑料

在这个木材与纤维素领域著名的课题组中,每有成果产出,立刻就会受到广泛的关注。今年,陈朝吉和同事们(第一作者:Tian Li,陈朝吉;通讯作者:胡良兵)在《Nature》上发表了题目为“Developing fibrillated cellulose as a sustainable technological material”的综述论文 4。该文章综述了原纤化纤维素,即由纤维素纤维分解成的、其尺寸可以变化与控制的结构块,在长纤维、薄膜、多孔膜和凝胶等复合材料中的应用,讨论了这些结构的实际开发的研究方向以及需要克服的挑战,并强调了扩大材料制造规模的一些关键问题。从化石燃料时代走向可持续发展的未来,需要高性能的可再生材料,碳排放低甚至是净零。纤维素是地球上最丰富的可再生生物聚合物,可期待纤维素作为领先的低维材料之一,以可持续的方式解决全球水、能源与环境问题的巨大挑战。

图5:原纤化纤维素概述

另一篇综述文章聚焦在木材的结构功能关系上,以题为“Structure–property–function relationships of natural and engineered wood” 5发表在《Nature Reviews Materials》上(第一作者:陈朝吉;通讯作者:胡良兵)。在这篇综述中,作者说明了如何通过结构工程、化学或热改性来重新设计木材,以改变其机械、流体、离子、光学和热特性。这些改性使木材广泛的应用成为可能,包括在高性能结构材料、能量存储和转换、环境修复、纳米离子学、纳米流体学以及光热管理方面的应用。还强调了先进的表征和计算模拟方法,以了解天然和改性木材的结构-特性-功能关系,为仿生合成设计提供信息。最后,提供了对木材研究未来方向以及工业化挑战和机遇的看法。

“要做实实在在的产品,做有用的科研!”

除上述的三篇正刊文章及两篇子刊文章外,近几年来,陈朝吉在《Nature Communications》、《Science Advances》、《Journal of the American Chemical Society》、《Advanced Materials》等知名刊物发表第一作者(含共同第一作者)或通讯作者论文80余篇。截止2021年11月,28篇论文入选ESI高被引论文,论文总引用12,000余次,H因子61(谷歌学术)。

面对记者对科研实用性的提问,陈朝吉回答,“光有理论成果是不够的。我也一直在思考如何把实验室的科研成果转化为实实在在的产品,真正为改善大众的生活出一份力。”陈朝吉博士长期从事生物质材料(木材、竹材、纤维素、甲壳素等)的结构设计、功能化及高附加值循环利用方面的研究工作。在造出了“超级木材”、用于清洁能源存储的木材基电池及电容器、超薄超强的木材基耳机声学振膜等材料器件后,他怀揣着一名科研工作者不懈追求的理想,带着丰硕的研究成果回国,目前任职于武汉大学资源与环境科学学院,希望能做出实实在在的产品,为科技做出一点改变。随着可持续发展成为全球性议题,他将目光聚焦于环境友好型材料的设计与研发领域,以期促进迈向碳中和过程中面临的材料—能源—环境问题的解决。

34岁的他,成功从辍学少年逆袭成科研后浪。前方的路还很长,衷心祝愿他能做出新的突破,实现科研愿景,为祖国建设添砖加瓦。

参考文献

1. Song, J.; Chen, C.; Zhu, S.; Zhu, M.; Dai, J.; Ray, U.; Li, Y.; Kuang, Y.; Li, Y.; Quispe, N.; Yao, Y.; Gong, A.; Leiste, U. H.; Bruck, H. A.; Zhu, J. Y.; Vellore, A.; Li, H.; Minus, M. L.; Jia, Z.; Martini, A.; Li, T.; Hu, L., Processing bulk natural wood into a high-performance structural material. Nature2018,554 (7691), 224-228.

2. Xiao, S.; Chen, C.; Xia, Q.; Liu, Y.; Yao, Y.; Chen, Q.; Hartsfield, M.; Brozena, A.; Tu, K.; Eichhorn, S. J.; Yao, Y.; Li, J.; Gan, W.; Shi, S. Q.; Yang, V. W.; Lo Ricco, M.; Zhu, J. Y.; Burgert, I.; Luo, A.; Li, T.; Hu, L., Lightweight, strong, moldable wood via cell wall engineering as a sustainable structural material. Science2021,374 (6566), 465-471.

3. Xia, Q.; Chen, C.; Yao, Y.; Li, J.; He, S.; Zhou, Y.; Li, T.; Pan, X.; Yao, Y.; Hu, L., A strong, biodegradable and recyclable lignocellulosic bioplastic. Nature Sustainability2021,4 (7), 627-635.

4. Li, T.; Chen, C.; Brozena, A. H.; Zhu, J. Y.; Xu, L.; Driemeier, C.; Dai, J.; Rojas, O. J.; Isogai, A.; Wagberg, L.; Hu, L., Developing fibrillated cellulose as a sustainable technological material. Nature2021,590 (7844), 47-56.

5. Chen, C.; Kuang, Y.; Zhu, S.; Burgert, I.; Keplinger, T.; Gong, A.; Li, T.; Berglund, L.; Eichhorn, S. J.; Hu, L., Structure–property–function relationships of natural and engineered wood. Nature Reviews Materials2020,5 (9), 642-666.

来源:高分子科学前沿,部分参考自“武汉大学公众号”

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