文｜《中國科學(xué)報(bào)》記者孟凌霄
2024年11月6日早上6點(diǎn)半，陳宇軒像往常一樣準(zhǔn)時(shí)起床。
他習(xí)慣性地打開郵箱，一封來自導(dǎo)師的郵件跳入眼簾——“Congrats?。ㄗＹR?。薄？粗撐慕K于被接收的好消息，陳宇軒長舒一口氣，心里懸著的石頭落地了。
這篇論文于今年2月20日正式在Nature發(fā)表。研究報(bào)告了鈣和鎂的離子交換反應(yīng)，能將富含鈣鎂的硅酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)樘疾蹲讲牧?，將需要幾百年的固碳時(shí)間縮短至幾周到幾個(gè)月。一位工業(yè)界的審稿人評價(jià)：“該文提出的基于離子交換反應(yīng)的碳吸收新途徑，將會(huì)對從空氣中吸收二氧化碳這一任務(wù)作出巨大貢獻(xiàn)?！?span style="display:none">toS即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
值得一提的是，這項(xiàng)研究的作者僅有兩位：“95后”陳宇軒和他的導(dǎo)師Matthew Kanan。
課題組合影（左一為陳宇軒）
在美國斯坦福大學(xué)讀博5年，這是陳宇軒發(fā)表的第一項(xiàng)獨(dú)立工作。讀博期間，他沒有回過一次中國。直到去年8月遞交最后一版修改送審，9月畢業(yè)論文答辯，他才第一時(shí)間買了回國的機(jī)票，跨越大半個(gè)地球回到父母身邊。
靈感來自“跨界”組會(huì)
這項(xiàng)研究直指人類最棘手的難題之一：如何高效捕捉大氣中的二氧化碳。
問題的答案不唯一，但陳宇軒找到了一種極簡潔的表達(dá)方式。
“如果我把方程式寫下來，可能就是一個(gè)中學(xué)生都能看懂的置換反應(yīng)。”陳宇軒笑道，簡潔的方法背后，正是“跨界”組會(huì)帶來的靈感。
在斯坦福大學(xué)化學(xué)系教授Matthew Kanan課題組，有一個(gè)特別的傳統(tǒng)：課題組的主要方向是二氧化碳電還原和二氧化碳的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化，但組內(nèi)成員每隔一段時(shí)間，就需要自學(xué)其他領(lǐng)域的知識，并在組會(huì)上將所學(xué)內(nèi)容分享給實(shí)驗(yàn)室。這種跨界學(xué)習(xí)的模式鼓勵(lì)大家從其他學(xué)科中汲取靈感，開展跨學(xué)科的討論。
2023年年初的一次組會(huì)上，一位博士后介紹了水泥的傳統(tǒng)制造方法與電化學(xué)制造方法，詳細(xì)講解了通過石灰石和二氧化硅合成硅酸二鈣和硅酸三鈣的反應(yīng)及其工藝流程。雖然這一議題與課題組的研究并無直接關(guān)系，但對于陳宇軒來說，這次報(bào)告卻激發(fā)了新的思路。
聽報(bào)告的過程中，陳宇軒突發(fā)奇想地問了自己一個(gè)問題：如果將水泥制造中的二氧化硅替換為硅酸鎂，鈣和鎂進(jìn)行離子交換反應(yīng)，那么得到的硅酸鈣和氧化鎂都能更快地從空氣中吸收二氧化碳，被困在硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)中的鎂就會(huì)被釋放出來。
這不是陳宇軒第一次經(jīng)歷科研靈感閃現(xiàn)時(shí)刻。但此前的數(shù)度，他在查閱文獻(xiàn)后，總會(huì)發(fā)現(xiàn)前人已經(jīng)有過類似的研究。這一次則完全不同。當(dāng)陳宇軒在文獻(xiàn)庫中搜索時(shí)，找不到任何相關(guān)資料，他心中的激動(dòng)不言而喻。
當(dāng)天下午，陳宇軒就沖進(jìn)實(shí)驗(yàn)室搭建反應(yīng)裝置。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，硅酸鎂的初步轉(zhuǎn)化效率高達(dá)60%～70%。第二天清晨，他便帶著初步結(jié)果，迫不及待地敲開導(dǎo)師的辦公室大門，興奮地分享自己的新發(fā)現(xiàn)。
經(jīng)過短短半年的集中實(shí)驗(yàn)，陳宇軒和導(dǎo)師成功驗(yàn)證了這一方法的可行性。與自然界中硅酸鹽化學(xué)風(fēng)化數(shù)百、上千年的時(shí)間相比，陳宇軒實(shí)驗(yàn)中的碳捕捉材料僅需幾周到幾個(gè)月。
在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，這種新型碳捕捉材料在Kanan實(shí)驗(yàn)室每周便能批量生產(chǎn)20公斤。對于工業(yè)級別的生產(chǎn)，只需現(xiàn)有的生產(chǎn)水泥的反應(yīng)器，便能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。此外，這種碳捕捉材料還是一種優(yōu)質(zhì)硅肥，為技術(shù)工業(yè)化增添了附加值。
陳宇軒期待盡快將這個(gè)技術(shù)推向工業(yè)界實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。
陳宇軒發(fā)表的Nature論文
一位好導(dǎo)師的科研哲學(xué)
在陳宇軒看來，一位好導(dǎo)師不僅是學(xué)生科研生涯的領(lǐng)路人，更會(huì)潛移默化地改變學(xué)生思考問題的方式。
他的博士生導(dǎo)師Matthew Kanan，被外界親切地稱為“淡定哥”，因他發(fā)論文“在精不在多”。Matthew在讀博和做博后期間，在有機(jī)合成和電化學(xué)分解水兩個(gè)截然不同的領(lǐng)域，發(fā)表了一篇Nature和一篇Science論文。在尋找教職時(shí)，他只憑借3篇一作論文，便敲開了斯坦福的大門。
這種“重質(zhì)不重量”和“挑戰(zhàn)新問題”的科研哲學(xué)，深刻影響著課題組的分工方式。
課題組內(nèi)的研究方向高度分散。每個(gè)研究者都有自己專注的領(lǐng)域，且每個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和測試都由研究者獨(dú)立完成。這使得他們的論文署名人數(shù)極少，通常僅有幾位作者，而工作量也相對較大。
“Matthew一直希望我們課題組在二氧化碳礦化這個(gè)方向能做出真正改變世界的科研成果?！标愑钴幷f。
在2023年前，陳宇軒就發(fā)現(xiàn)了一些有趣的反應(yīng)能夠提升硅酸鎂吸收二氧化碳的性能，但基于這些反應(yīng)設(shè)想的技術(shù)路徑，面臨著轉(zhuǎn)化率低或者難以大規(guī)模生產(chǎn)利用的瓶頸。對此，導(dǎo)師總是耐心開導(dǎo)他：“你只是還沒碰到那個(gè)最好的解法?！彼膭?lì)陳宇軒保持實(shí)驗(yàn)的節(jié)奏，耐心等待。
利用巖石吸收二氧化碳對于陳宇軒和Kanan課題組來說都是一個(gè)全新的挑戰(zhàn)。從2021年年初，陳宇軒開始在這一領(lǐng)域進(jìn)行探索。項(xiàng)目開展期間，導(dǎo)師也用獨(dú)特的方式鼓勵(lì)陳宇軒。每次家庭郊游時(shí)，導(dǎo)師都會(huì)撿回各種各樣的石頭，因?yàn)檫@些石頭恰是實(shí)驗(yàn)材料的來源。長時(shí)間以來，陳宇軒的實(shí)驗(yàn)桌上總是堆滿了水晶、橄欖石和蛇紋石等“實(shí)驗(yàn)用品”。
“在宇軒來實(shí)驗(yàn)室前，我對石頭一竅不通。但如果你現(xiàn)在給我一塊石頭，我不是吹牛，我能立馬說出這塊石頭的名字?！痹陉愑钴幍牟┦空撐拇疝q現(xiàn)場，導(dǎo)師笑著說。
博士畢業(yè)時(shí)，導(dǎo)師鼓勵(lì)陳宇軒跳出自己的研究領(lǐng)域，嘗試一些不同的方向。他建議陳宇軒將研究方向從無機(jī)化學(xué)和電化學(xué)轉(zhuǎn)向材料科學(xué)，激發(fā)交叉學(xué)科的思維。如今，陳宇軒在斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授崔屹的課題組從事博士后研究，拓展自己的科研邊界。
“如果有一天我也能成為教授，能夠帶學(xué)生，我希望做一個(gè)像Matthew一樣的好老師?！标愑钴幷f。
2024年6月課題組聚餐（左二為陳宇軒）
回到“幸福終點(diǎn)站”
2024年10月，陳宇軒登上了回國的航班。這是5年來他第一次回家。
回國后，他特意回到母校南京大學(xué)，拜訪了他科研道路上的領(lǐng)路人——丁夢寧教授。陳宇軒回憶，自己本科時(shí)，丁老師剛回國。他的實(shí)驗(yàn)室的大門始終敞開，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加各類學(xué)術(shù)交流。“那時(shí)我就感受到了科研的魅力。”陳宇軒說道。
陳宇軒還特意打卡了家鄉(xiāng)南通新開通的地鐵2號線。2019年他離開時(shí)，南通還沒有地鐵，而如今，整座城市已經(jīng)進(jìn)入了“綠色出行”的時(shí)代，新能源車遍布街頭。他所搭乘的南通地鐵2號線，終點(diǎn)站正是名為“幸?！钡恼九_。
終點(diǎn)站名為“幸?！?span style="display:none">toS即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
從碳中和研究到家鄉(xiāng)的綠色出行，“可持續(xù)”的理念也貫穿陳宇軒的生活。他介紹，自己曾是一個(gè)典型的“夜貓子”，經(jīng)常在實(shí)驗(yàn)室工作到凌晨兩三點(diǎn)，第二天上午補(bǔ)個(gè)覺再繼續(xù)工作，但這種高強(qiáng)度的熬夜模式反而導(dǎo)致了效率低下。
如今，陳宇軒養(yǎng)成了“老年人作息”：每天早上6點(diǎn)半準(zhǔn)時(shí)起床，晚上10點(diǎn)半到11點(diǎn)間入睡，確保有足夠的休息時(shí)間。雖然科研節(jié)奏緊張，但他依然保持隔天去健身房運(yùn)動(dòng)1小時(shí)的習(xí)慣。斯坦福大學(xué)所在地西靠太平洋，東臨落基山脈，沖浪、滑雪都是流行運(yùn)動(dòng)。
他堅(jiān)信，這種科研與生活的平衡，讓他能夠走得更遠(yuǎn)。
陳宇軒滑雪
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08499-2
本文圖片均為受訪者提供
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