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南京工業(yè)大學郭凱：打破慣性思維，為傳統(tǒng)化工搭建“桌面工廠”

新華日報記者 謝詩涵

“如果將傳統(tǒng)化工生產(chǎn)比作‘燉羊肉’，那么微流場技術(shù)就是‘涮羊肉’。盡管兩者都是用水把羊肉煮熟，但燉羊肉耗時長且‘外焦里嫩’，而涮羊肉速度快且口感均一。在微流場技術(shù)下，傳統(tǒng)需要十幾個小時的反應(yīng)往往幾秒就可以完成?！?2月3日，南京工業(yè)大學黨委常委、副校長郭凱教授榮獲本年度何梁何利基金科學與技術(shù)創(chuàng)新獎青年創(chuàng)新獎。

近年來，圍繞綠色化工領(lǐng)域，郭凱率團隊在微化工技術(shù)和生物基材料研究上不斷創(chuàng)新突破。國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎、省科學技術(shù)一等獎、國際杰出青年化學工程師獎、閔恩澤能源化工獎……辦公室的陳列柜上，眾多榮譽如璀璨星辰，記錄了這位80后青年科技工作者科研道路上的一個個重要節(jié)點。

年產(chǎn)萬噸的生產(chǎn)線，僅一張辦公桌大小

“歐陽平凱院士是我的恩師，也是我學術(shù)上的引路人。他教會了我做科研既要頂天，也要立地。做出來的東西有沒有人用，能不能對國家、社會產(chǎn)生實效，這是我們最需要關(guān)心的問題?！?010年，一心想從事應(yīng)用化學研究的郭凱受時任南京工業(yè)大學校長歐陽平凱院士的感召，辭去了英國的工作來到南工大任教，并同步開展綠色化工攻關(guān)。

那時，團隊里加上郭凱一共只有3個人。盡管科研條件艱苦，他卻始終堅持從產(chǎn)業(yè)實際中找選題，也愿意沉下心來打磨一件事。一間30多平方米的實驗室，成了郭凱授課之外待得最久的地方。

傳統(tǒng)化工間歇生產(chǎn)持液量大、均一性差，導致化工生產(chǎn)安全性偏低、排放和泄漏嚴重，安全環(huán)保事故頻發(fā)，而微流場技術(shù)可以很好地解決這一難題。郭凱告訴記者：“傳統(tǒng)工業(yè)放大過程中，大家會下意識地認為大規(guī)模生產(chǎn)就要將裝置做得更大一些，而這項研究的難點就在于突破這一慣性思維，讓實驗裝置盡可能小一些，通過微尺度效應(yīng)強化相關(guān)傳質(zhì)、傳熱、反應(yīng)速率等，提升制造效率，讓工業(yè)生產(chǎn)更加綠色安全。”

一條年產(chǎn)萬噸的生產(chǎn)線，傳統(tǒng)幾層樓高的反應(yīng)釜可以被壓縮成一張辦公桌大小，而里面核心的反應(yīng)部件和幾個可樂罐差不多大。“由于反應(yīng)器尺度小、反應(yīng)速度快，物料均一性會更好，污染排放可降低50%以上，能耗降低40%以上，設(shè)備占地面積可縮小90%以上。”郭凱說。

敢于試錯，抓好科研的“兩頭”

結(jié)合微流場技術(shù)，郭凱團隊利用可再生原料，創(chuàng)制了生物基聚氨酯、聚酯、聚酰胺、氨綸、增塑劑等高效固碳、健康環(huán)保、性能優(yōu)良的新材料產(chǎn)品。截至目前，團隊先后完成生物基材料累計40余萬噸/年以及多個精細化學品千噸/年至萬噸/年轉(zhuǎn)化，為省內(nèi)外近百家企業(yè)提供技術(shù)服務(wù)，推動微化工技術(shù)從“芯片實驗室”走向“桌面工廠”。

一個月前，郭凱主持完成的“新型高性能生物基聚氨酯及其關(guān)鍵制造技術(shù)”項目榮獲2023年度省科學技術(shù)獎一等獎。在這一項目中，團隊從無到有構(gòu)建工藝路線，創(chuàng)新性地從棉籽油等非食用性油脂中提煉出國際首款全替代型產(chǎn)品——國產(chǎn)生物基聚氨酯，成功實現(xiàn)了原料、過程、產(chǎn)品的全流程綠色化。目前相關(guān)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于鐵路隧道、西氣東輸?shù)榷囝I(lǐng)域。

該項目最終取得了良好的社會效益，但技術(shù)研發(fā)的過程卻充滿挑戰(zhàn)。郭凱回憶，團隊首次從植物油中提取出生物基聚氨酯后，由于原材料凝固點高，做出來的產(chǎn)品一到冬天就會凝固。這個結(jié)果是大家始料未及的，也迫使團隊從源頭結(jié)構(gòu)上作出調(diào)整，進一步降低產(chǎn)品凝固點?！翱蒲袆?chuàng)新就是一個不斷試錯的過程，不可能永遠一帆風順。而成果背后的無數(shù)次試錯經(jīng)驗，正是我們隱性的財富?！?/p>

教師、科研團隊領(lǐng)頭人、學校行政事務(wù)參與管理者……郭凱肩上的擔子越來越重，但他始終堅持將一半的時間投入到科研中。不斷和企業(yè)交流，更是他多年來一直堅持做的一件事?！坝谖叶?，最關(guān)心的就是科研的‘兩頭’問題，一頭是能不能與國家戰(zhàn)略、前沿熱點結(jié)合，另一頭是能不能解決實際問題、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。要想抓好這‘兩頭’，需要我們前期做大量細致的工作，因為一旦成果落地，留給我們的失誤空間將少之又少?！?/p>

走出科研“舒適區(qū)”，創(chuàng)新永無止境

從最初的3個人壯大到如今的百余人，郭凱團隊的學科交叉屬性越來越強化，所關(guān)注的問題也越來越廣，材料新結(jié)構(gòu)的AI設(shè)計、工藝路線開發(fā)、工程設(shè)備研制、材料加工技術(shù)都已成為團隊關(guān)注的熱點。

對于團隊內(nèi)正處于成長階段的青年科技工作者，郭凱常建議他們要找準個人定位、區(qū)域定位和歷史定位?！耙恍┠贻p人在做科研時常常有慣性，習慣陷在自己的舒適區(qū)，這一定程度上限制了自身發(fā)展。瞄準國家戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)實際，勇敢走出科研舒適區(qū)，或許會收獲別樣精彩的風景?！?/p>

眼下，郭凱團隊生物基氨綸、生物基尼龍、生物基多元醇、生物基防腐涂料等多個項目正處于工業(yè)放大的關(guān)鍵階段，而他和團隊也正在嘗試一種全新的成果轉(zhuǎn)化路徑。

“以前科研成果轉(zhuǎn)化一般通過技術(shù)交底、專利許可或轉(zhuǎn)讓的方式給企業(yè)產(chǎn)業(yè)化，而這往往導致企業(yè)一次性投入太大，不利于項目良性發(fā)展。”郭凱表示，如果中試階段能以項目公司的形式運行，則不單單可以驗證技術(shù)的成熟度，也可同時進行商業(yè)模式和政策適用性的驗證?！拔磥砦覀兿Ｍ麑⒓夹g(shù)成果盡可能往前推進，讓企業(yè)少走一些彎路，進一步釋放技術(shù)附加值。”

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