当前，材料和能源的来源正逐步由石化资源转向生物质资源，尤其在“双碳”目标的推动下，生物质作为原料更是扮演了重要角色。自然界蕴含着丰富的生物质资源，其中纤维素是含量最丰富的天然高分子，最近关于纤维素的研究应用热点之一是利用其纳米尺度结晶结构发展新材料。目前，推进纤维素纳米晶向材料高值转化是全行业面临的关键问题，这也是西南大学黄进教授十五年来的研究方向。近日，黄进教授接受了本刊记者的独家专访。
生物基材料资源化面临三大难题
【ccn】随着全社会对绿色发展的重视，越来越多的生物基材料涌现出来。您如何看待人们对生物质资源的利用？
【黄进】实际上，我们一直都在使用生物质资源。随着经济与社会发展需求的变化，人们对生物质资源的理解也在转变——起初是可生物降解，其中蕴含了生物质资源对石油基材料的替代，也在医药领域获得了认可和应用；随着构建绿色循环经济体系及“双碳”目标的提出，生物质资源的利用又被赋予了碳循环、碳捕捉、碳排放及碳汇经济等概念，其利用的重要性和方向性有了更多、更深的内涵和定位。
总体上，从化学品和材料来说，需要格外关注其中生物基的含量（通过同位素含量来进行评价）和能源、燃料以及制造加工原材料的生物质资源对石化资源的替代能力。生物质资源一旦实现高值高效的充分利用，将对现有产业机构具有变革性意义，对于社会经济的可持续发展至关重要。
【ccn】当前，材料在生物质资源化或生物质替代的过程中还面临哪些难题？您有何建议？
【黄进】在生物质资源化利用的过程中，生物基化学品和材料占据重要地位，其面临的最主要难题还是原材料因来源和物种等多样性所带来的品质不稳定问题。由于最底端的生物质原料来源广，存在地域不同、基因和种类等差异，所提供的原材料也就具有分子量、理化性质等的不同，这很可能导致生产制造过程需要调整，以及终端产品性能的差异。同时，生物基材料技术的产业化周期和到达终端产品的产业链均相对来说比较长，所以其产业化难度较大，面临着众多不可预见甚至不可控的研发过程和市场推广问题，尤其是面临生物基材料成本和价格高导致市场接受度低的困境，用其替代现有材料体系难度比较大。
因此，我们首先要选择发展性能、功能、性价比等具备优势的材料或化学品，以及相关工程和应用技术。立足原料层面夯实其应用，以及向高值材料转化的物质基础和结构基础，我们可以更多地面向需求从化学品角度进行重点研究开发；技术层面则不要局限于某一个终端材料类型作为研究对象，而要从多类型材料的组成、分子结构、微相结构等信息，通过系统研究和综合分析，建立由生物质原料或化学品向高性能甚至功能材料转化的技术体系，进而依托该技术体系发现生物质替代的独特优势和必要性，立足市场需求和应用要求的接受度展开产品从技术到工程的转化，并形成普适或通用的应用技术体系。由此，通过向技术、工程和应用的转化实现绿色分离机制、化学改性及可控方法、高性能化复合策略、功能结构组装原理等基础性科学研究成果的价值，将单个或独立的技术融入成果转化体系整合成能够产业化的工程技术。在这里，我还是强调材料领域生物质资源利用和替代的切入点很关键，先将材料倒推到化学品这个精细化甚至功能性原料的层级，持续丰富基础研究并推进其整合成技术体系的工作；然后针对具体行业需求及应用标准开发高值生物基材料，从高性能化和功能集成或强化等方面凝聚生物基材料的核心竞争力。
推动纤维素纳米晶从基础研究到实践应用
【ccn】纤维素作为含量最丰富的天然生物质资源之一，近期有哪些相关研究热点及应用进展？市场推广方面应如何发力？
【黄进】纤维素应该说从进入21世纪后随着绿色可持续发展战略提出而迎来了新的发展机遇，除了在传统行业领域进一步凸显优势之外，在新能源、汽车、交通、医学材料等方向也备受青睐，应用的形式从分子水平的醚类、酯类衍生物到纳米尺度结构以及与伴生组分一起的纤维。其中，以纤维素纳米晶为代表的纳米纤维素家族火了约10年了，在不断完成一些基础研究的积累之后，众多学者也开始瞄向了应用，很多高科技公司应运而生。目前，纳米纤维素已经在一些传统的行业发挥作用，如造纸行业的特种纸、功能纸、医药辅料，以及化妆品等领域。但其市场化局面还不太明朗，尤其受阻于成本问题，造成了一定的局限，亟需高值化利用的产品技术。
关于纳米纤维素产业化及市场推广，同生物基材料的情况相似，首先要明确其应用的必要性，充分发挥其尺度维度以及多级次结构有序性的优势；其次要抓住一些政策或产业导向机遇，比如顺应“双碳”目标并直接关联碳税的生物基量提升。我们探索发现的道路就是上面提到的生物质高值利用，从化学品精细化和系列化切入并推进高值材料市场化。能否充分发挥纳米纤维素的微小尺度、不对称一维形貌、分子链规整排列和官能基有规分布等优势，利用纳米表面可控化学修饰方法，通过物质协同和立体空间效应设计构建，替代分子水平的纤维素甚至石化来源的化学品和材料，是我们必须解决的贯穿“科学—技术—工程—应用”成果转化的系统问题。
【ccn】据了解，您多年来一直致力于推进纤维素纳米晶向材料高值转化。请问纤维素纳米晶在材料应用领域具有哪些独特优势？未来应如何发展？
【黄进】高价值的产品如果想去替代其他产品并进入市场发挥作用，需具备很好的功能特性并显示出独特优势。
如上所述，纤维素纳米晶有两个主要特征：一是一维棒状形貌，其不对称结构与细胞生命体的相互作用有利于胞吞，因此可以附着抗菌物质，将“子弹”的火力集中显示出“炮弹”轰炸的高抗菌效率；二是结晶结构，可以利用其对应的活性官能团有规分布和分子链有序排列，结合化学反应方法并引入表面分子工程理念，控制其化学修饰程度和理化性质，甚至构建立体结构效应实现功能化。此外，它还继承了纤维素资源对生态环境的低毒性和友好性，以及特殊生物条件下能有效降解的特点。但是，所有这些优势都一定要落在具体应用对象上，在之前基础上不断地去完善和积累个性化技术，通过标准的策划和建设推进成果转化和市场应用。
未来，纤维素纳米晶要想快速发展，还是要先从化学品的角度考虑，做好物质基础和结构基础的研发工作，积累表面分子结构改造、物理化学性质调控、功能性立构效应设计构建等创新策略和可行方法。
【ccn】近几年，您所在的课题组在材料的生物质资源化方面取得了哪些成绩？未来几年的研发重点是什么？
【黄进】我们整个团队是跨学科、跨专业，甚至是跨学校、跨地域的。我们在材料的生物质资源化和轻质高性能化省资源方面主要做了两件事情：
一是纤维素纳米晶“从化学品到功能化学品，再到以此为基础的材料高性能化技术体系和先进功能材料”的技术创新和经济价值实现的逐级进阶，目前在寻觅进入市场的途径，追逐“双碳”目标对其产业化赋能的红利。我们已经在“科学”层面的理念方法创新、“技术”层面的推进成果转化和进入市场的助力、“工程”与“应用”层面的化学品精细化、系列化、功能化及针对光学信息加密防伪的产品化等方面取得了系列进展。未来我们的重点是丰富纤维素纳米晶的产品系列，不断积累向高值材料转化的技术体系，建设一个新型研发机构的平台，准备好对接产业的模式和力量，汇聚创新资源和工程化要素，寻觅产业化和市场化契机。
二是针对通用的生物基材料替代传统石化基塑料，我们聚焦于生物基聚酯改性的生物质母粒，以生物基量提升、成本控制和功能化提升价值为目标，从非食源性、农林粗/副产品全组分利用、生物基功能化学品等方面进行系统的研究。同时，以轻量化、省资源为目标，发展针对生物基聚酯及其复合材料的“绿色”发泡技术，尤其关注内空结构负泊松比化的结构层面轻质高性能化技术，力争取得创新性成果和推出有竞争力的产品。