杜林：探秘穹頂之下

□ 杜月嬌

杜林受邀參加山東大學(xué)青島校區(qū)2019年畢業(yè)典禮

也就在數(shù)十年前，藍(lán)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(jīng)難以維持。每到入秋，一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)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(dá)的經(jīng)濟(jì)與科技也無法讓人們產(chǎn)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(hù)，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。”山東大學(xué)環(huán)境研究院教授、博士生導(dǎo)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(wù)院總理李克強(qiáng)在政府工作報告中正式提出“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”。此后，一場守衛(wèi)藍(lán)天的戰(zhàn)役在全國各地先后打響。盡管經(jīng)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(xué)領(lǐng)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(lán)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(jī)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(chǔ)研究環(huán)節(jié)，我們的核心任務(wù)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(jù)。”杜林說道。

無中生“霾”

2013年，“霧霾”成了年度關(guān)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(dá)到世界衛(wèi)生組織推薦的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，與此同時，世界上污染最嚴(yán)重的10個城市有7個在中國。

2014年1月4日，國家減災(zāi)辦、民政部首次將危害健康的霧霾天氣納入2013年自然災(zāi)情進(jìn)行通報。此后，應(yīng)對霧霾污染、改善空氣質(zhì)量成了環(huán)保主旋律。也是在這一年，在丹麥哥本哈根大學(xué)研究多年的杜林回國了。借著國內(nèi)大氣污染治理的東風(fēng)，杜林深知，需要他回國發(fā)揮所長的時機(jī)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(xué)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?！倍帕纸榻B。

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(xì)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(yuǎn)處光亮物微帶黃、紅色，使黑暗物微帶藍(lán)色”，從中也可以看出灰霾的主要特點就是含有大量細(xì)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(xué)名——氣溶膠，即由固體或液體小質(zhì)點分散并懸浮在氣體介質(zhì)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(fù)雜組成決定了它的光學(xué)性質(zhì)和化學(xué)特性，其中有機(jī)氣溶膠（OA）是大氣污染控制的關(guān)鍵污染物和控制的難點。當(dāng)前，大氣中有機(jī)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(jī)氣溶膠（POA）；二是揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）吸附至液體或固體的界面而形成有機(jī)膜覆蓋的氣溶膠顆粒；三是更小的碳質(zhì)納米顆粒的凝聚；四是大氣氧化劑在有機(jī)顆粒表面發(fā)生反應(yīng)而生成二次有機(jī)氣溶膠（SOA）。其中，二次有機(jī)氣溶膠對我國灰霾的高發(fā)影響起到了關(guān)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(fēng)也不下雨，那這些顆粒物從何而來？不是大風(fēng)刮來的，就是其他物質(zhì)轉(zhuǎn)變而成。我們要研究的就是氣溶膠的反應(yīng)過程，怎么生成的二次顆粒物?！倍帕纸榻B，二次有機(jī)氣溶膠在大氣中的形成和轉(zhuǎn)化機(jī)制非常復(fù)雜，大體可分為三類：一是大氣氣態(tài)前體物通過氧化反應(yīng)，發(fā)生氣粒轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成二次有機(jī)氣溶膠；三是氣溶膠界面上二次有機(jī)氣溶膠的形成和轉(zhuǎn)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(yīng)產(chǎn)生二次顆粒物，與此同時，在不同影響因子下，這些顆粒物產(chǎn)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(jī)理，就可以對大氣污染過程進(jìn)行模擬，并為大氣污染預(yù)報、治理提供決策依據(jù)。

“深度分析二次有機(jī)氣溶膠的形成機(jī)理，不僅是探究大氣污染的科學(xué)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(fù)合污染條件下，會發(fā)生一系列的物理化學(xué)過程而形成更復(fù)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(jī)氣溶膠的形成機(jī)理究竟是什么？杜林指出了其中關(guān)鍵所在，“表界面就是氣溶膠發(fā)生反應(yīng)的主戰(zhàn)場”。

他表示，在復(fù)合污染條件下，有機(jī)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(xué)反應(yīng)（反應(yīng)物是兩相或兩相以上的組分，或者一種或多種反應(yīng)物在界面上進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)的總稱）過程中，界面反應(yīng)對二次有機(jī)氣溶膠的形成至關(guān)重要。從界面化學(xué)的角度闡明二次有機(jī)氣溶膠的大氣形成機(jī)制將有助于理解大氣復(fù)合污染形成的關(guān)鍵化學(xué)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(chǔ)理論依據(jù)。

“如果將一個顆粒物想象成一個橘子的話，當(dāng)它暴露在空氣中與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)時，其實主要是橘子皮在反應(yīng)。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(xì)顆粒物為非均相反應(yīng)提供了豐富的表界面。這些界面不僅可以降低化學(xué)反應(yīng)所需能量從而促進(jìn)反應(yīng)的發(fā)生，同時也可以在非均相過程中導(dǎo)致顆粒物成分、大小和物理性質(zhì)的改變，從而改變顆粒物的光學(xué)性質(zhì)和氣候效應(yīng)。不過，盡管已經(jīng)意識到大氣非均相化學(xué)的重要性，但由于研究手段的限制，此前對氣溶膠界面反應(yīng)對灰霾形成的作用機(jī)制的了解仍非常有限。

深知表界面研究對大氣污染形成機(jī)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(yīng)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(jī)氣溶膠的界面反應(yīng)及其在灰霾形成中的作用機(jī)制”項目獲得了2016年度國家自然科學(xué)基金重大研究計劃“中國大氣復(fù)合污染的成因與應(yīng)對機(jī)制的基礎(chǔ)研究”重點支持項目資助。2017年，獲得山東省自然科學(xué)杰出青年基金資助。

在杜林團(tuán)隊持續(xù)不斷的攻關(guān)之下，國內(nèi)氣溶膠界面反應(yīng)研究接連取得突破，并躍升成為國際領(lǐng)先。2018年，杜林獲得英國皇家化學(xué)會環(huán)境化學(xué)領(lǐng)域的Environmental Science: Processes &Impacts雜志“新興科學(xué)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(yīng)研究這一新興領(lǐng)域，他與團(tuán)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?；顒?/p>

成功在于最后一步

“大氣污染的復(fù)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(zhǔn)備。”杜林說道。隨著大氣污染研究的不斷深入，國內(nèi)外都需要不斷探索新的實驗技術(shù)手段來獲得更好的研究結(jié)果。為了更好地探究國內(nèi)二次有機(jī)氣溶膠形成機(jī)理，杜林與團(tuán)隊度過了一段極其艱難的探索時光。

在“二次有機(jī)氣溶膠的界面反應(yīng)及其在灰霾形成中的作用機(jī)制”項目中，從二次有機(jī)氣溶膠界面形成的角度出發(fā)，他與團(tuán)隊邊摸索邊創(chuàng)新，最終獨創(chuàng)了紅外反射吸收光譜技術(shù)進(jìn)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(fù)合反應(yīng)的分子機(jī)理，包括分子動力學(xué)模擬方法、煙霧箱實驗?zāi)M方法以及外場觀測方法等。不過，國內(nèi)外領(lǐng)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(jī)理的真相揭開還有很遙遠(yuǎn)的距離。

“盡管這幾年取得了一些進(jìn)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(jìn)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(jìn)的儀器對氣溶膠表界面反應(yīng)進(jìn)行光譜探測，他們四處調(diào)研、訪問，好不容易選購了一臺世界最先進(jìn)的表面光譜儀器回來，結(jié)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(tuán)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(diào)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(fù)調(diào)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(nèi)外工程師、光譜儀器領(lǐng)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(diào)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(diào)試的艱難，杜林比誰都更能理解。早在比利時魯汶大學(xué)（KUL）化學(xué)系進(jìn)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(diào)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(dāng)最終調(diào)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(jīng)驗以及鼓勵下，8個月之后，表面光譜儀器的信號終于調(diào)試完成?？梢哉f，杜林與他的第一個博士生就是當(dāng)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(fù)責(zé)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(diào)試……

“這段經(jīng)歷之后，我這位博士生內(nèi)心也強(qiáng)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(lǐng)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(xué)2015年度優(yōu)秀研究生、2017年10月參加第九屆環(huán)境化學(xué)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(xué)金、2019年度獲得王文興院士環(huán)境科學(xué)獎學(xué)金……經(jīng)此一役，杜林已幫助她建立起強(qiáng)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(guān)卡，所有問題都將迎刃而解?！倍帕终f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(guān)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(lán)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(zhì)量狀況中可以看到，“藍(lán)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(zhì)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(tuán)隊的位置所在，就是基礎(chǔ)科研工作者。弄清大氣污染形成機(jī)理，為一線人員提供理論支持是他們的責(zé)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(xué)、微觀的角度解析污染的形成機(jī)理，為一線人員提供關(guān)鍵證據(jù)。”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(lǐng)團(tuán)隊馬不停蹄，投身基礎(chǔ)科研一線，并多次在國內(nèi)外取得重大突破；截至目前，已發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文104篇，其中第一/通訊作者論文72篇；并多次受邀在國內(nèi)外重大學(xué)術(shù)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(xué)以及丹麥Infuser公司合作研發(fā)空氣凈化技術(shù)，為丹麥大使館簽證樓建造的新型室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)，被《環(huán)球時報》（英文版）、中國日報網(wǎng)、中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng)、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(xué)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(wù)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(shù)助推山東省新舊動能轉(zhuǎn)換，獲得了2017年山東省西部經(jīng)濟(jì)隆起帶和省扶貧開發(fā)重點區(qū)域引進(jìn)急需緊缺人才支持項目計劃、2017年濰坊市鳶都產(chǎn)業(yè)領(lǐng)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(tuán)隊組第二名等榮譽。

大氣污染研究作為國內(nèi)外科學(xué)研究領(lǐng)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?nèi)蓟钴S在大氣污染化學(xué)學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域。在人才培養(yǎng)方面，他同樣花費了大量心血。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需人才特點、學(xué)科領(lǐng)域特點、每一位學(xué)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(guān)系，在他的團(tuán)隊中，所有學(xué)生都能直接與他交流互動；他還積極幫助學(xué)生建立科研自信心，隨時關(guān)注學(xué)生的每一步成長并及時予以鼓勵；并且，他還注重鍛煉學(xué)生全方位發(fā)展能力，讓學(xué)生在任何場合都敢于表達(dá)、樂于表達(dá)自己的想法。在一次國內(nèi)外名校聚集的學(xué)術(shù)交流討論中，當(dāng)國外會議專家提出是否有學(xué)生愿意主持交流論壇時，只有他的學(xué)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(xué)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(zhì)，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(chǔ)研究轉(zhuǎn)化成應(yīng)用的速度也在不斷提升。作為“藍(lán)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(tuán)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(xué)博物館前合影