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以材料革命 固土木建设
——记青岛理工大学土木工程学院副院长李绍纯

2022-01-21徐艳慧

科学中国人 2021年30期
关键词:理工大学涂层表面

徐艳慧

中国人对土木建筑的迷恋早在数百年前便早有显现。前人有诗为证,“五架三间新草堂,石阶桂柱竹编墙”“高轩临碧渚,飞檐迥架空”,在精妙绝伦的诗句中,我们除了可以窥察到古人对于建筑的结构智慧,还可一览中国建筑材料的发展历程。

材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代,人们把信息、材料和能源作为社会文明的支柱。行至80年代,随着高技术群的兴起,新材料与信息技术、生物技术又并列成为新技术革命的重要标志。现如今,材料已成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。于是,在材料学这片蓝海中逐渐涌现出一大批以李绍纯为代表的青年杰出科学家,数年来坚守在海洋环境高性能混凝土的制备及耐久性研究工作上,为我国建筑工程添砖加瓦。

一片冰心始于瓷

李绍纯与材料学结缘于太原重型机械学院(今太原科技大学)。1998年,刚结束高考的李绍纯以自己兴趣所向填报了“机械制造及自动化”这一专业,开始学习后他发现课程设置与自己想象中有些差异,学习内容更偏向于金属的热处理。但是经过刻苦学习,他逐渐被材料的千变万化和独特魅力所吸引,4年的大学本科学习生涯坚实地奠定了他对材料学深切热爱的基础。

研究生阶段,李绍纯追随早年认识的一位材料学导师的脚步,考入了青岛理工大学。“虽然专业名称是环境工程,但整个硕士期间,我都在做与陶瓷相关的课题研究,与一种新材料的接触除了加深我对这一领域的兴趣外,还让我意识到要进一步深造,对知识的汲取决不能掉以轻心。”基于这种信念,李绍纯怀揣一份赤诚,带着梦想辗转到了浙江大学。经过3年的博士研究生涯,他以优异的表现接到了来自两所母校,即青岛理工大学和浙江大学同时抛来的橄榄枝。经过一番慎重考虑,他最终还是选择回到家乡山东参与建设。“我对家乡有着非常深厚的感情,而且青岛理工大学对我来说更为熟悉,有熟悉的老师和环境,不存在重新适应的问题,对当时的我来说是最好的选择。”

虽然是重回故地,但李绍纯的身份却发生了转变。从被指导研究到独立组建团队开展研究,需要历经一个较为艰辛的过程,但是硕博阶段培养起来的良好的研究习惯,却加速了这段进程。“我很幸运,硕博阶段遇到的导师都对我帮助非常大。在我所有的研究课题及方向问题上,他们始终秉持着‘只指导,不干涉’的态度。可以说,在一定程度上,我的独立科研能力是这两位导师联手培养出来的。”现实总是极具戏剧性的,科研似乎也要讲求“天时地利人和”。能力已经“就位”,但很快现实就给李绍纯带去了另外一个难以逾越的关隘——千帆过后,因结合青岛理工大学的特色,需要再择航向。

李绍纯

追溯往事,彼时的阻碍也诞生了新的机遇。阔别了“陪伴”其8年研究生涯的陶瓷材料,2010年,李绍纯遇到了时任青岛理工大学副校长赵铁军教授及其团队,从而开启了科研路上与混凝土材料“相伴”的全新篇章。

在接下来的4年时间里,李绍纯皆专注于混凝土防护材料的研究。2013年,李绍纯与团队参与的“海洋环境下裂缝混凝土的腐蚀及防护措施”项目,荣获青岛市科技进步奖二等奖;2014年,他又获批了科研生涯中首个国家自然科学基金项目“混凝土表面渗透型超疏水涂层的仿生设计、构建与性能研究”。该项目基于仿生学理论,从表面化学组成与微观结构设计出发,利用溶胶-凝胶法,结合相分离、自组装技术,根据混凝土材料的组成、结构特点,直接在其表面构建有机硅烷/SiO2渗透型超疏水涂层。研究超疏水涂层在混凝土表面形成过程的规律性,实现对混凝土表面化学组成与微观结构的可控调节,探索表面微纳米二级结构的形成机理及对混凝土渗透性的影响,极大程度上为我国建筑行业中混凝土材料的防水问题作出了建设性的贡献。

项目的成功在带来喜悦之余,也引起了李绍纯更为深刻的求索之心。身边的众多学者都不约而同选择了出国访问,但是他再三思虑,毅然选择了湖南大学史才军教授作为引领自己走进材料学研究“下一站”的领路人。此前,史才军教授长居国外开展研究,学术成果举世瞩目,“能够获得这样一位学贯中西的学者的指导,既能满足我了解国外科研进展的需求,又能让我在祖国切身体会身边发生的变化,这样的选择对我来说,无疑是两全其美的”。短短1年后,李绍纯便再次凭借“核电站牺牲混凝土制备原理与关键技术研究”项目获得了2015年度高等学校科学研究优秀成果奖技术进步奖二等奖。辗转多年,唯有对材料学热爱的“一片冰心”始终未改;屡次突破,他又投身到下一阶段科研路的跋涉中。

李绍纯(后排左五)与学生合影

绝知此事要躬行

“研究混凝土这种材料的难点除了其组分结构极为复杂外,该材料的应用性也非常强。可是我在实验室待得太久了,无论理论已经多么完备,每每到了工程实践的环节,总有与预期相差甚远的意外发生。”即便李绍纯在混凝土材料研究这条道路上已然坚守多年,但仍有这样的困境存在。面对挑战,有人选择逃避,自然也会有人选择直面。

显然,李绍纯是后者。

2016年,借着“西部建设人才引进”的东风,李绍纯以“新疆维吾尔自治区高层次引进人才(柔性引进)”的身份在中建西部建设新疆股份有限公司开展自己的博士后研究工作。他针对新疆当地的矿物进行激活性研究,旨在通过激发矿物活性,探索研制绿色高性能混凝土材料,为我国节能减排事业作出贡献。该项目历时3年,最终获得新疆维吾尔自治区科技进步奖三等奖,李绍纯也同时实现了学术与实践的密切结合。从此,对于成果的实际应用,他也有了更为深刻的认识与理解。在无数实绩之中,李绍纯又凭借其卓越的科学感知力,探查到了混凝土在海洋领域应用的又一亟待解决的问题——海洋微生物的腐蚀与污损。

海洋微生物腐蚀是确保海工混凝土结构耐久性和安全性的重要课题。随后,李绍纯便确定了这一科研方向,并在2020年凭借“仿生超疏水涂层在混凝土表层的构建及对海洋生物腐蚀的抑制作用机理与效果研究”申请到了国家自然科学基金项目的支持。该项目从海洋微生物在混凝土表面的附着规律与机理出发,通过研究生物膜的形成、生长过程,建立海洋微生物对混凝土的腐蚀动力学模型。在此基础上,基于仿生学理论,采用溶胶凝胶法和表面修饰技术在混凝土表层构建硅烷SiO2溶胶/硅烷氧化石墨烯超疏水涂层,探索超疏水涂层在混凝土表面的反应过程与构建机理,实现对混凝土表层化学组成与微观结构的可控调节。李绍纯及其团队通过研究超疏水涂层对海洋微生物在混凝土表面黏附行为的影响机理和规律,深入探讨超疏水涂层对海洋微生物腐蚀动力学的影响机制;并通过实海暴露实验,建立超疏水涂层微结构与防生物腐蚀作用的定量关系,明确时空变化对超疏水涂层长期防护效果的影响规律,旨在为保障海工混凝土结构安全及长寿命运行提供理论依据与技术支撑。

土木工程科研人员是国家的“建设者”。正因肩负重任,所以李绍纯一刻也不敢懈怠,心无杂念只愿一路向前。科研之外,作为青岛理工大学土木工程学院副院长,李绍纯对于教书育人有着同科研一样的热血与恒心,始终将培养学生的科学素养置于首位。另外,因科研领域的强应用性与自身的科研经历,李绍纯也时刻不忘提醒学生,理论基础仍重要,但成果检验须躬行。

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