杜林：探秘穹顶之下

□ 杜月娇

杜林受邀参加山东大学青岛校区2019年毕业典礼

也就在数十年前，蓝天白云、青山绿水还是如同呼吸般再自然不过的一件事，但这样的日常状态现在却已经难以维持。每到入秋，一些经济发达及重工业地区时常会被一片灰蒙蒙的天空所笼罩。在这样的环境下，再发达的经济与科技也无法让人们产生幸福感。

“‘环境获得感’不是空洞抽象的，而是非常直接、非常具体的，更是可以感知、感受的。家门口的一片绿色，‘打开窗，就有新鲜空气迎面而来’可以说是市民身边最直观、最受用的获得感。相反，倘若缺少了与自然的亲密接触，缺少了‘城市之肺’的守护，再高的钢筋水泥、再多的商场餐厅，都难以涵养城市的人文温度与民众的幸福感。”山东大学环境研究院教授、博士生导师杜林说道。

近几年，随着空气污染的加剧，人们对于新鲜空气的诉求与日俱增。2017年两会期间，国务院总理李克强在政府工作报告中正式提出“蓝天保卫战”。此后，一场守卫蓝天的战役在全国各地先后打响。尽管经过两年的铁腕治理，各地大气污染均取得了显著治理成果，但在大气污染化学领域研究10余年的杜林看来，对于大气污染的治理，一刻也不能放松。

“大气污染是一个长期问题，只要一时松懈立刻就会反弹。要真正给老百姓们一片蓝天白云的生活环境，我们必须形成一个长期的大气污染治理机制，并且在这条完整的治理链条中，每个环节的人都要各司其职、协同作战才行。而作为其中基础研究环节，我们的核心任务就是深度分析污染形成的原因以及带来的影响，为前方一线战斗人员提供有效治理依据。”杜林说道。

无中生“霾”

2013年，“雾霾”成了年度关键词。

这一年1月，4次雾霾过程笼罩30个省（区、市），在北京，仅有5天不是雾霾天。有报告显示，中国最大的500个城市中，只有不到1%的城市达到世界卫生组织推荐的空气质量标准，与此同时，世界上污染最严重的10个城市有7个在中国。

2014年1月4日，国家减灾办、民政部首次将危害健康的雾霾天气纳入2013年自然灾情进行通报。此后，应对雾霾污染、改善空气质量成了环保主旋律。也是在这一年，在丹麦哥本哈根大学研究多年的杜林回国了。借着国内大气污染治理的东风，杜林深知，需要他回国发挥所长的时机已然到来。2014年7月，作为中组部第五批青年“千人计划”入选者，杜林毅然离开丹麦，全职加入了山东大学环境研究院，一心钻研我国大气污染形成的原因及其带来的影响。

“大众喜欢将‘雾霾’合起来说，但其实‘雾’和‘霾’的区别很大，我们国家的大气污染特点主要是灰霾。”杜林介绍。

雾和霾的区别主要在于水分含量的大小，水分含量低于80%的就叫霾。在中国气象局《地面气象观测规范》中，灰霾被定义为“大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10千米的空气普遍有浑浊现象，使远处光亮物微带黄、红色，使黑暗物微带蓝色”，从中也可以看出灰霾的主要特点就是含有大量细微颗粒物。所以，灰霾污染也可以叫颗粒物污染。

平日，人们感知的空中颗粒物组合还有一个学名——气溶胶，即由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，也叫气体分散体系。杜林介绍，气溶胶的复杂组成决定了它的光学性质和化学特性，其中有机气溶胶（OA）是大气污染控制的关键污染物和控制的难点。当前，大气中有机气溶胶主要有以下四种来源：一是人为源和生物源排放的一次有机气溶胶（POA）；二是挥发性有机物（VOCs）吸附至液体或固体的界面而形成有机膜覆盖的气溶胶颗粒；三是更小的碳质纳米颗粒的凝聚；四是大气氧化剂在有机颗粒表面发生反应而生成二次有机气溶胶（SOA）。其中，二次有机气溶胶对我国灰霾的高发影响起到了关键作用。

与课题组2019届4位毕业生的合影

“大气污染到底是怎么形成的？我们看灰霾天气时，一般不刮风也不下雨，那这些颗粒物从何而来？不是大风刮来的，就是其他物质转变而成。我们要研究的就是气溶胶的反应过程，怎么生成的二次颗粒物。”杜林介绍，二次有机气溶胶在大气中的形成和转化机制非常复杂，大体可分为三类：一是大气气态前体物通过氧化反应，发生气粒转化形成二次颗粒物；二是在湿度较大的条件下，污染物发生液相氧化而转化成二次有机气溶胶；三是气溶胶界面上二次有机气溶胶的形成和转化。

在多年实验研究过程中，杜林发现气态污染物不仅可以互相反应产生二次颗粒物，与此同时，在不同影响因子下，这些颗粒物产生的速度以及大小也都不同，如果了解这些颗粒物形成的背后机理，就可以对大气污染过程进行模拟，并为大气污染预报、治理提供决策依据。

“深度分析二次有机气溶胶的形成机理，不仅是探究大气污染的科学话题，也更符合我国大气污染的国情。”杜林介绍，在颗粒物与大气气态污染物共存的复合污染条件下，会发生一系列的物理化学过程而形成更复杂的污染物，我国大气污染主要成分就来源于此。

那么，二次有机气溶胶的形成机理究竟是什么？杜林指出了其中关键所在，“表界面就是气溶胶发生反应的主战场”。

他表示，在复合污染条件下，有机气溶胶在大气中一旦形成，会立即参与到低层大气的非均相化学反应（反应物是两相或两相以上的组分，或者一种或多种反应物在界面上进行的化学反应的总称）过程中，界面反应对二次有机气溶胶的形成至关重要。从界面化学的角度阐明二次有机气溶胶的大气形成机制将有助于理解大气复合污染形成的关键化学过程，改善区域和全球大气模式，也为大气污染控制提供基础理论依据。

“如果将一个颗粒物想象成一个橘子的话，当它暴露在空气中与其他物质发生反应时，其实主要是橘子皮在反应。对于气溶胶而言，表界面就是它的表皮部分。”杜林说道。

污染大气中，大量存在的细颗粒物为非均相反应提供了丰富的表界面。这些界面不仅可以降低化学反应所需能量从而促进反应的发生，同时也可以在非均相过程中导致颗粒物成分、大小和物理性质的改变，从而改变颗粒物的光学性质和气候效应。不过，尽管已经意识到大气非均相化学的重要性，但由于研究手段的限制，此前对气溶胶界面反应对灰霾形成的作用机制的了解仍非常有限。

深知表界面研究对大气污染形成机理的重要性，自2014年回国至今，杜林一直将研究重心放在气溶胶的表界面反应上。短短几年时间，扎根大气污染研究最前沿的杜林，已先后获得近20项国家、省部级科研项目资助。2016年，由他主持申请的“二次有机气溶胶的界面反应及其在灰霾形成中的作用机制”项目获得了2016年度国家自然科学基金重大研究计划“中国大气复合污染的成因与应对机制的基础研究”重点支持项目资助。2017年，获得山东省自然科学杰出青年基金资助。

在杜林团队持续不断的攻关之下，国内气溶胶界面反应研究接连取得突破，并跃升成为国际领先。2018年，杜林获得英国皇家化学会环境化学领域的Environmental Science: Processes &Impacts杂志“新兴科学家”称号，并受邀在该杂志的“大气表界面”专刊上发表了封面论文。在气溶胶界面反应研究这一新兴领域，他与团队已然走在了国际前列。

与家人一起在青岛参加建国70周年庆祝活动

成功在于最后一步

“大气污染的复杂性决定了它是一个长期性的话题，我们必须做好长期作战的准备。”杜林说道。随着大气污染研究的不断深入，国内外都需要不断探索新的实验技术手段来获得更好的研究结果。为了更好地探究国内二次有机气溶胶形成机理，杜林与团队度过了一段极其艰难的探索时光。

在“二次有机气溶胶的界面反应及其在灰霾形成中的作用机制”项目中，从二次有机气溶胶界面形成的角度出发，他与团队边摸索边创新，最终独创了红外反射吸收光谱技术进行探测，并建立了一套独有的实验方法研究气溶胶与污染大气成分发生复合反应的分子机理，包括分子动力学模拟方法、烟雾箱实验模拟方法以及外场观测方法等。不过，国内外领先的成果并没有让杜林感到丝毫放松，他知道离大气污染形成机理的真相揭开还有很遥远的距离。

“尽管这几年取得了一些进展，但也并没有解决根本问题。气溶胶研究我们只是往前迈进了一小步，需要研究的地方还有很多。”杜林如是说道。

从“零”起步的研究，每一步都显得万分艰难，杜林至今还记得过程中的每一段曲折艰辛，尤其是最初的探索时光。

那时，为了找到先进的仪器对气溶胶表界面反应进行光谱探测，他们四处调研、访问，好不容易选购了一台世界最先进的表面光谱仪器回来，结果却没有一个人能装、会用。

“中国区的销售完全不懂，也没有工程师会用，后来四处寻找之下，我们从德国请来了一位工程师将仪器拼装完成，但对于仪器的用法他也无能为力，只留下一句‘光谱实验我也不懂，你们自己慢慢做吧’就回国了。”眼看着德国工程师离去的身影，杜林只能咬咬牙带着团队自行摸索起来，那时谁也没有想到，仅仅一个光谱仪器的调试就花了他们整整8个月时间。

就在一间小小的黑屋子里，他们不断地重复调光路、找信号。几个月里，他们一直没放弃抽空四处寻找支援。但问遍了国内外工程师、光谱仪器领域的专家，仍然没有一个人会用，每次都觉得即将水落石出之时却总是差了一步。在这样的状态下，跟随杜林的第一个博士生李思扬，也是光谱仪器的主要调试员，一度因压力过大而临近崩溃状态。每到这时，杜林总会说道：“再咬牙坚持一下，这个仪器全世界就我们两个在摸索了，我们一定能做出来。”

光谱仪器调试的艰难，杜林比谁都更能理解。早在比利时鲁汶大学（KUL）化学系进行博士后研究期间，杜林就曾因为一个实验，花了整整半年时间，一个人在黑屋子里调试光路信号。长期处于一个全封闭、黑暗的环境里，面临的精神压力常人无法想象。

“在黑暗的屋子里整天盯着光斑一点一点跳动，对人的考验还是很大的。但当最终调出光路信号时，整个人所感受到的喜悦以及自信也是前所未有的，就觉得这样艰难的操作我都完成了，还有什么困难是克服不了的？在科研里面，自信心建立非常重要，这也是我们面临任何困难与挑战都能坚持下去的信念。”杜林说道。

在他的经验以及鼓励下，8个月之后，表面光谱仪器的信号终于调试完成。可以说，杜林与他的第一个博士生就是当时世界上唯二会用这台仪器的人。得知消息之后，仪器公司负责人专程找到杜林，希望未来若有人再购买这台仪器时能聘请他们前去帮忙调试……

“这段经历之后，我这位博士生内心也强大了很多，博士期间就完成了8篇论文发表，相信未来科研中再遇到任何困难，对她来说也不算什么了。”杜林说道。不仅如此，在他的带领下，博士期间，这位攀登过世界高峰的种子选手接连获得了多项荣誉：被评为山东大学2015年度优秀研究生、2017年10月参加第九届环境化学大会作展板报告并获最佳墙报奖、2018年度获得博士研究生国家奖学金、2019年度获得王文兴院士环境科学奖学金……经此一役，杜林已帮助她建立起强大的科研底气，未来再大的高山也无法阻挡她攀岩的脚步。

“科研确实又苦又累，但苦过就有甘甜，最重要的就是不能放弃。只要挺过那道关卡，所有问题都将迎刃而解。”杜林说道。

打响终身保卫战

无论是对于个人气溶胶研究事业，还是国家大气污染治理工作而言，坚持都是一项至关重要的事情。

为了更好地对大气污染治理工作做到有的放矢，国家和地区联合出台了“2+26”政策方针，为每一个城市提供一个独有的解决方案。在“蓝天保卫战”的前两年，各地区大气污染治理成果显著，空气均得到了有效改善。但从2019年7月8日生态环境部发布的上半年全国空气质量状况中可以看到，“蓝天保卫战”三大主战场——京津冀及周边地区“2+26”城市空气质量均有所反弹。用杜林的话说，“这场战役‘攻城难守城更难’，容不得丝毫懈怠”。

大气污染治理牵涉地区广、涉及人员多，环环相扣，每一个环节都必不可少。这就要求身处治理链条中的每一个人都能清楚地找到自己的定位，并为此竭尽全力。在这场战役中，杜林深知他与团队的位置所在，就是基础科研工作者。弄清大气污染形成机理，为一线人员提供理论支持是他们的责任。

“我们扮演的角色就像破案一样，在刑侦里面也可以说是‘法医’，从化学、微观的角度解析污染的形成机理，为一线人员提供关键证据。”杜林说道。

为尽早揭开大气污染的神秘面纱，这些年来，杜林带领团队马不停蹄，投身基础科研一线，并多次在国内外取得重大突破；截至目前，已发表SCI学术论文104篇，其中第一/通讯作者论文72篇；并多次受邀在国内外重大学术会议上作报告，分享最新科研成果；他还与丹麦哥本哈根大学以及丹麦Infuser公司合作研发空气净化技术，为丹麦大使馆签证楼建造的新型室内空气净化系统，被《环球时报》（英文版）、中国日报网、中国经济网、搜狐等30多家媒体广泛报道；至今还获得了中组部“青年千人计划”、山东省杰青、山东大学杰青支持计划等人才类项目的资助和支持……

不仅如此，他还积极辅助一线污染治理人员，投身到服务地方政府的大气污染治理工作中，研发了新型的污染控制技术助推山东省新旧动能转换，获得了2017年山东省西部经济隆起带和省扶贫开发重点区域引进急需紧缺人才支持项目计划、2017年潍坊市鸢都产业领军人才、第五届中国创新创业大赛青岛赛区新能源及节能环保行业团队组第二名等荣誉。

大气污染研究作为国内外科学研究领域的前沿、热门、急需的课题，研究人员的培养也是核心难题。从2014年回国之后，杜林已先后培养了20多位硕士生、博士生、博士后，毕业生们全都活跃在大气污染化学学术研究领域。在人才培养方面，他同样花费了大量心血。

根据经济发展所需人才特点、学科领域特点、每一位学生的性格不同，杜林建立起一套全新的人才培养方式：他剔除“老带新”的传统实验室培养方法，采用扁平化管理模式，建立起平等的师生关系，在他的团队中，所有学生都能直接与他交流互动；他还积极帮助学生建立科研自信心，随时关注学生的每一步成长并及时予以鼓励；并且，他还注重锻炼学生全方位发展能力，让学生在任何场合都敢于表达、乐于表达自己的想法。在一次国内外名校聚集的学术交流讨论中，当国外会议专家提出是否有学生愿意主持交流论坛时，只有他的学生主动站了出来。在一群世界顶尖名校的光环下，只有山东大学给与会专家留下了深刻印象……

“这是一个‘酒香也怕巷子深’的时代，信息化速度发展太快，我们的成果不主动分享的话很快就会被淹没。埋头做科研的精神要继承，但也要培养勇于分享的品质，这个世界需要全方位能力发展的人才。”杜林说道。

的确，时代发展的脚步在加快，基础研究转化成应用的速度也在不断提升。作为“蓝天保卫战”后方研究人员，杜林从未有一刻脱离前方现场。穹顶之下的这场战役，他与团队还在不断探索、创新，离真相揭开的一刻已然越来越近。

2019年课题组全体成员在山东大学博物馆前合影