杜林：探秘穹頂之下

□ 杜月嬌

杜林受邀參加山東大學青島校區(qū)2019年畢業(yè)典禮

也就在數十年前，藍天白云、青山綠水還是如同呼吸般再自然不過的一件事，但這樣的日常狀態(tài)現(xiàn)在卻已經難以維持。每到入秋，一些經濟發(fā)達及重工業(yè)地區(qū)時常會被一片灰蒙蒙的天空所籠罩。在這樣的環(huán)境下，再發(fā)達的經濟與科技也無法讓人們產生幸福感。

“‘環(huán)境獲得感’不是空洞抽象的，而是非常直接、非常具體的，更是可以感知、感受的。家門口的一片綠色，‘打開窗，就有新鮮空氣迎面而來’可以說是市民身邊最直觀、最受用的獲得感。相反，倘若缺少了與自然的親密接觸，缺少了‘城市之肺’的守護，再高的鋼筋水泥、再多的商場餐廳，都難以涵養(yǎng)城市的人文溫度與民眾的幸福感?！鄙綎|大學環(huán)境研究院教授、博士生導師杜林說道。

近幾年，隨著空氣污染的加劇，人們對于新鮮空氣的訴求與日俱增。2017年兩會期間，國務院總理李克強在政府工作報告中正式提出“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”。此后，一場守衛(wèi)藍天的戰(zhàn)役在全國各地先后打響。盡管經過兩年的鐵腕治理，各地大氣污染均取得了顯著治理成果，但在大氣污染化學領域研究10余年的杜林看來，對于大氣污染的治理，一刻也不能放松。

“大氣污染是一個長期問題，只要一時松懈立刻就會反彈。要真正給老百姓們一片藍天白云的生活環(huán)境，我們必須形成一個長期的大氣污染治理機制，并且在這條完整的治理鏈條中，每個環(huán)節(jié)的人都要各司其職、協(xié)同作戰(zhàn)才行。而作為其中基礎研究環(huán)節(jié)，我們的核心任務就是深度分析污染形成的原因以及帶來的影響，為前方一線戰(zhàn)斗人員提供有效治理依據?！倍帕终f道。

無中生“霾”

2013年，“霧霾”成了年度關鍵詞。

這一年1月，4次霧霾過程籠罩30個?。▍^(qū)、市），在北京，僅有5天不是霧霾天。有報告顯示，中國最大的500個城市中，只有不到1%的城市達到世界衛(wèi)生組織推薦的空氣質量標準，與此同時，世界上污染最嚴重的10個城市有7個在中國。

2014年1月4日，國家減災辦、民政部首次將危害健康的霧霾天氣納入2013年自然災情進行通報。此后，應對霧霾污染、改善空氣質量成了環(huán)保主旋律。也是在這一年，在丹麥哥本哈根大學研究多年的杜林回國了。借著國內大氣污染治理的東風，杜林深知，需要他回國發(fā)揮所長的時機已然到來。2014年7月，作為中組部第五批青年“千人計劃”入選者，杜林毅然離開丹麥，全職加入了山東大學環(huán)境研究院，一心鉆研我國大氣污染形成的原因及其帶來的影響。

“大眾喜歡將‘霧霾’合起來說，但其實‘霧’和‘霾’的區(qū)別很大，我們國家的大氣污染特點主要是灰霾。”杜林介紹。

霧和霾的區(qū)別主要在于水分含量的大小，水分含量低于80%的就叫霾。在中國氣象局《地面氣象觀測規(guī)范》中，灰霾被定義為“大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10千米的空氣普遍有渾濁現(xiàn)象，使遠處光亮物微帶黃、紅色，使黑暗物微帶藍色”，從中也可以看出灰霾的主要特點就是含有大量細微顆粒物。所以，灰霾污染也可以叫顆粒物污染。

平日，人們感知的空中顆粒物組合還有一個學名——氣溶膠，即由固體或液體小質點分散并懸浮在氣體介質中形成的膠體分散體系，也叫氣體分散體系。杜林介紹，氣溶膠的復雜組成決定了它的光學性質和化學特性，其中有機氣溶膠（OA）是大氣污染控制的關鍵污染物和控制的難點。當前，大氣中有機氣溶膠主要有以下四種來源：一是人為源和生物源排放的一次有機氣溶膠（POA）；二是揮發(fā)性有機物（VOCs）吸附至液體或固體的界面而形成有機膜覆蓋的氣溶膠顆粒；三是更小的碳質納米顆粒的凝聚；四是大氣氧化劑在有機顆粒表面發(fā)生反應而生成二次有機氣溶膠（SOA）。其中，二次有機氣溶膠對我國灰霾的高發(fā)影響起到了關鍵作用。

與課題組2019屆4位畢業(yè)生的合影

“大氣污染到底是怎么形成的？我們看灰霾天氣時，一般不刮風也不下雨，那這些顆粒物從何而來？不是大風刮來的，就是其他物質轉變而成。我們要研究的就是氣溶膠的反應過程，怎么生成的二次顆粒物?！倍帕纸榻B，二次有機氣溶膠在大氣中的形成和轉化機制非常復雜，大體可分為三類：一是大氣氣態(tài)前體物通過氧化反應，發(fā)生氣粒轉化形成二次顆粒物；二是在濕度較大的條件下，污染物發(fā)生液相氧化而轉化成二次有機氣溶膠；三是氣溶膠界面上二次有機氣溶膠的形成和轉化。

在多年實驗研究過程中，杜林發(fā)現(xiàn)氣態(tài)污染物不僅可以互相反應產生二次顆粒物，與此同時，在不同影響因子下，這些顆粒物產生的速度以及大小也都不同，如果了解這些顆粒物形成的背后機理，就可以對大氣污染過程進行模擬，并為大氣污染預報、治理提供決策依據。

“深度分析二次有機氣溶膠的形成機理，不僅是探究大氣污染的科學話題，也更符合我國大氣污染的國情?！倍帕纸榻B，在顆粒物與大氣氣態(tài)污染物共存的復合污染條件下，會發(fā)生一系列的物理化學過程而形成更復雜的污染物，我國大氣污染主要成分就來源于此。

那么，二次有機氣溶膠的形成機理究竟是什么？杜林指出了其中關鍵所在，“表界面就是氣溶膠發(fā)生反應的主戰(zhàn)場”。

他表示，在復合污染條件下，有機氣溶膠在大氣中一旦形成，會立即參與到低層大氣的非均相化學反應（反應物是兩相或兩相以上的組分，或者一種或多種反應物在界面上進行的化學反應的總稱）過程中，界面反應對二次有機氣溶膠的形成至關重要。從界面化學的角度闡明二次有機氣溶膠的大氣形成機制將有助于理解大氣復合污染形成的關鍵化學過程，改善區(qū)域和全球大氣模式，也為大氣污染控制提供基礎理論依據。

“如果將一個顆粒物想象成一個橘子的話，當它暴露在空氣中與其他物質發(fā)生反應時，其實主要是橘子皮在反應。對于氣溶膠而言，表界面就是它的表皮部分?！倍帕终f道。

污染大氣中，大量存在的細顆粒物為非均相反應提供了豐富的表界面。這些界面不僅可以降低化學反應所需能量從而促進反應的發(fā)生，同時也可以在非均相過程中導致顆粒物成分、大小和物理性質的改變，從而改變顆粒物的光學性質和氣候效應。不過，盡管已經意識到大氣非均相化學的重要性，但由于研究手段的限制，此前對氣溶膠界面反應對灰霾形成的作用機制的了解仍非常有限。

深知表界面研究對大氣污染形成機理的重要性，自2014年回國至今，杜林一直將研究重心放在氣溶膠的表界面反應上。短短幾年時間，扎根大氣污染研究最前沿的杜林，已先后獲得近20項國家、省部級科研項目資助。2016年，由他主持申請的“二次有機氣溶膠的界面反應及其在灰霾形成中的作用機制”項目獲得了2016年度國家自然科學基金重大研究計劃“中國大氣復合污染的成因與應對機制的基礎研究”重點支持項目資助。2017年，獲得山東省自然科學杰出青年基金資助。

在杜林團隊持續(xù)不斷的攻關之下，國內氣溶膠界面反應研究接連取得突破，并躍升成為國際領先。2018年，杜林獲得英國皇家化學會環(huán)境化學領域的Environmental Science: Processes &Impacts雜志“新興科學家”稱號，并受邀在該雜志的“大氣表界面”專刊上發(fā)表了封面論文。在氣溶膠界面反應研究這一新興領域，他與團隊已然走在了國際前列。

與家人一起在青島參加建國70周年慶祝活動

成功在于最后一步

“大氣污染的復雜性決定了它是一個長期性的話題，我們必須做好長期作戰(zhàn)的準備。”杜林說道。隨著大氣污染研究的不斷深入，國內外都需要不斷探索新的實驗技術手段來獲得更好的研究結果。為了更好地探究國內二次有機氣溶膠形成機理，杜林與團隊度過了一段極其艱難的探索時光。

在“二次有機氣溶膠的界面反應及其在灰霾形成中的作用機制”項目中，從二次有機氣溶膠界面形成的角度出發(fā)，他與團隊邊摸索邊創(chuàng)新，最終獨創(chuàng)了紅外反射吸收光譜技術進行探測，并建立了一套獨有的實驗方法研究氣溶膠與污染大氣成分發(fā)生復合反應的分子機理，包括分子動力學模擬方法、煙霧箱實驗模擬方法以及外場觀測方法等。不過，國內外領先的成果并沒有讓杜林感到絲毫放松，他知道離大氣污染形成機理的真相揭開還有很遙遠的距離。

“盡管這幾年取得了一些進展，但也并沒有解決根本問題。氣溶膠研究我們只是往前邁進了一小步，需要研究的地方還有很多?！倍帕秩缡钦f道。

從“零”起步的研究，每一步都顯得萬分艱難，杜林至今還記得過程中的每一段曲折艱辛，尤其是最初的探索時光。

那時，為了找到先進的儀器對氣溶膠表界面反應進行光譜探測，他們四處調研、訪問，好不容易選購了一臺世界最先進的表面光譜儀器回來，結果卻沒有一個人能裝、會用。

“中國區(qū)的銷售完全不懂，也沒有工程師會用，后來四處尋找之下，我們從德國請來了一位工程師將儀器拼裝完成，但對于儀器的用法他也無能為力，只留下一句‘光譜實驗我也不懂，你們自己慢慢做吧’就回國了?！毖劭粗聡こ處熾x去的身影，杜林只能咬咬牙帶著團隊自行摸索起來，那時誰也沒有想到，僅僅一個光譜儀器的調試就花了他們整整8個月時間。

就在一間小小的黑屋子里，他們不斷地重復調光路、找信號。幾個月里，他們一直沒放棄抽空四處尋找支援。但問遍了國內外工程師、光譜儀器領域的專家，仍然沒有一個人會用，每次都覺得即將水落石出之時卻總是差了一步。在這樣的狀態(tài)下，跟隨杜林的第一個博士生李思揚，也是光譜儀器的主要調試員，一度因壓力過大而臨近崩潰狀態(tài)。每到這時，杜林總會說道：“再咬牙堅持一下，這個儀器全世界就我們兩個在摸索了，我們一定能做出來。”

光譜儀器調試的艱難，杜林比誰都更能理解。早在比利時魯汶大學（KUL）化學系進行博士后研究期間，杜林就曾因為一個實驗，花了整整半年時間，一個人在黑屋子里調試光路信號。長期處于一個全封閉、黑暗的環(huán)境里，面臨的精神壓力常人無法想象。

“在黑暗的屋子里整天盯著光斑一點一點跳動，對人的考驗還是很大的。但當最終調出光路信號時，整個人所感受到的喜悅以及自信也是前所未有的，就覺得這樣艱難的操作我都完成了，還有什么困難是克服不了的？在科研里面，自信心建立非常重要，這也是我們面臨任何困難與挑戰(zhàn)都能堅持下去的信念?！倍帕终f道。

在他的經驗以及鼓勵下，8個月之后，表面光譜儀器的信號終于調試完成?？梢哉f，杜林與他的第一個博士生就是當時世界上唯二會用這臺儀器的人。得知消息之后，儀器公司負責人專程找到杜林，希望未來若有人再購買這臺儀器時能聘請他們前去幫忙調試……

“這段經歷之后，我這位博士生內心也強大了很多，博士期間就完成了8篇論文發(fā)表，相信未來科研中再遇到任何困難，對她來說也不算什么了?！倍帕终f道。不僅如此，在他的帶領下，博士期間，這位攀登過世界高峰的種子選手接連獲得了多項榮譽：被評為山東大學2015年度優(yōu)秀研究生、2017年10月參加第九屆環(huán)境化學大會作展板報告并獲最佳墻報獎、2018年度獲得博士研究生國家獎學金、2019年度獲得王文興院士環(huán)境科學獎學金……經此一役，杜林已幫助她建立起強大的科研底氣，未來再大的高山也無法阻擋她攀巖的腳步。

“科研確實又苦又累，但苦過就有甘甜，最重要的就是不能放棄。只要挺過那道關卡，所有問題都將迎刃而解。”杜林說道。

打響終身保衛(wèi)戰(zhàn)

無論是對于個人氣溶膠研究事業(yè)，還是國家大氣污染治理工作而言，堅持都是一項至關重要的事情。

為了更好地對大氣污染治理工作做到有的放矢，國家和地區(qū)聯(lián)合出臺了“2+26”政策方針，為每一個城市提供一個獨有的解決方案。在“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”的前兩年，各地區(qū)大氣污染治理成果顯著，空氣均得到了有效改善。但從2019年7月8日生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的上半年全國空氣質量狀況中可以看到，“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”三大主戰(zhàn)場——京津冀及周邊地區(qū)“2+26”城市空氣質量均有所反彈。用杜林的話說，“這場戰(zhàn)役‘攻城難守城更難’，容不得絲毫懈怠”。

大氣污染治理牽涉地區(qū)廣、涉及人員多，環(huán)環(huán)相扣，每一個環(huán)節(jié)都必不可少。這就要求身處治理鏈條中的每一個人都能清楚地找到自己的定位，并為此竭盡全力。在這場戰(zhàn)役中，杜林深知他與團隊的位置所在，就是基礎科研工作者。弄清大氣污染形成機理，為一線人員提供理論支持是他們的責任。

“我們扮演的角色就像破案一樣，在刑偵里面也可以說是‘法醫(yī)’，從化學、微觀的角度解析污染的形成機理，為一線人員提供關鍵證據。”杜林說道。

為盡早揭開大氣污染的神秘面紗，這些年來，杜林帶領團隊馬不停蹄，投身基礎科研一線，并多次在國內外取得重大突破；截至目前，已發(fā)表SCI學術論文104篇，其中第一/通訊作者論文72篇；并多次受邀在國內外重大學術會議上作報告，分享最新科研成果；他還與丹麥哥本哈根大學以及丹麥Infuser公司合作研發(fā)空氣凈化技術，為丹麥大使館簽證樓建造的新型室內空氣凈化系統(tǒng)，被《環(huán)球時報》（英文版）、中國日報網、中國經濟網、搜狐等30多家媒體廣泛報道；至今還獲得了中組部“青年千人計劃”、山東省杰青、山東大學杰青支持計劃等人才類項目的資助和支持……

不僅如此，他還積極輔助一線污染治理人員，投身到服務地方政府的大氣污染治理工作中，研發(fā)了新型的污染控制技術助推山東省新舊動能轉換，獲得了2017年山東省西部經濟隆起帶和省扶貧開發(fā)重點區(qū)域引進急需緊缺人才支持項目計劃、2017年濰坊市鳶都產業(yè)領軍人才、第五屆中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽青島賽區(qū)新能源及節(jié)能環(huán)保行業(yè)團隊組第二名等榮譽。

大氣污染研究作為國內外科學研究領域的前沿、熱門、急需的課題，研究人員的培養(yǎng)也是核心難題。從2014年回國之后，杜林已先后培養(yǎng)了20多位碩士生、博士生、博士后，畢業(yè)生們全都活躍在大氣污染化學學術研究領域。在人才培養(yǎng)方面，他同樣花費了大量心血。

根據經濟發(fā)展所需人才特點、學科領域特點、每一位學生的性格不同，杜林建立起一套全新的人才培養(yǎng)方式：他剔除“老帶新”的傳統(tǒng)實驗室培養(yǎng)方法，采用扁平化管理模式，建立起平等的師生關系，在他的團隊中，所有學生都能直接與他交流互動；他還積極幫助學生建立科研自信心，隨時關注學生的每一步成長并及時予以鼓勵；并且，他還注重鍛煉學生全方位發(fā)展能力，讓學生在任何場合都敢于表達、樂于表達自己的想法。在一次國內外名校聚集的學術交流討論中，當國外會議專家提出是否有學生愿意主持交流論壇時，只有他的學生主動站了出來。在一群世界頂尖名校的光環(huán)下，只有山東大學給與會專家留下了深刻印象……

“這是一個‘酒香也怕巷子深’的時代，信息化速度發(fā)展太快，我們的成果不主動分享的話很快就會被淹沒。埋頭做科研的精神要繼承，但也要培養(yǎng)勇于分享的品質，這個世界需要全方位能力發(fā)展的人才?！倍帕终f道。

的確，時代發(fā)展的腳步在加快，基礎研究轉化成應用的速度也在不斷提升。作為“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”后方研究人員，杜林從未有一刻脫離前方現(xiàn)場。穹頂之下的這場戰(zhàn)役，他與團隊還在不斷探索、創(chuàng)新，離真相揭開的一刻已然越來越近。

2019年課題組全體成員在山東大學博物館前合影