如果明天就要開組會，但實驗卻毫無進(jìn)展，你會怎么做?

這種煎熬的生活，周子暉過了兩年。作為美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的博士生，他一直學(xué)著和失敗打交道。看著不盡如人意的數(shù)據(jù)，以及老師下意識地?fù)u頭，他能做的只剩一次次地嘗試和期待。

功夫不負(fù)有心人。在一次實驗中，他終于得到了理想數(shù)據(jù)，此后更是“一路綠燈”，順利發(fā)現(xiàn)了一種能夠從空氣中捕獲二氧化碳的新型多孔材料。

近日，以周子暉為第一作者的研究成果發(fā)表于《自然》，從投稿到被接收，僅僅用時4個月。

“抓走”二氧化碳

直接從空氣中“抓走”二氧化碳，被許多科學(xué)家視為碳中和的“最后一公里”。但從技術(shù)層面看，能不能實現(xiàn)、該怎樣實現(xiàn)，始終沒有得到答案。

周子暉告訴《中國科學(xué)報》，二氧化碳吸附有兩大方向，一是從工廠排放的煙氣中“捕捉”二氧化碳，從源頭避免碳排放;二是直接從空氣中“抓走”二氧化碳，通過吸附空氣中已有的二氧化碳，讓其濃度不再升高，甚至逐漸回落至原始水平。

其實，從空氣中“抓走”二氧化碳的想法并不新鮮。早在1999年，美國亞利桑那州立大學(xué)的化學(xué)工程師Klaus Lackner首次提出了該設(shè)想。此后，不少科學(xué)家圍繞二氧化碳的酸性特質(zhì)“大做文章”，試圖利用各類堿性物質(zhì)實現(xiàn)酸堿反應(yīng)，吸走空氣里的二氧化碳。

然而，種種嘗試都鎩羽而歸。

“一類材料復(fù)用條件高，通常需要600℃至900℃的高溫，才能讓這類材料‘再生’;另一類材料穩(wěn)定性差，哪怕是在無水無氧的理想條件下，10次左右就出現(xiàn)了明顯的性能衰退。”周子暉解釋說。

周子暉則另辟蹊徑，在導(dǎo)師提出的共價有機框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，開發(fā)出一種新型多孔材料。它使用穩(wěn)定的共價碳-碳鍵作為材料骨架，并在孔隙內(nèi)部“裝”上盡量多的氨基，讓其充分吸收二氧化碳。

不同于僅通過小分子間弱范德華力的非共價連接，該材料采用共價連接方式，通過共享電子將原子緊密連接在一起，使得骨架更加堅固、穩(wěn)定。

“此外，共價有機框架是具有疏水性的有機材料，吸收二氧化碳的同時吸水量小，在二氧化碳脫附過程中耗能小，整體的再生溫度低。”周子暉說，它在25℃的室溫條件下就能有效釋放捕獲的二氧化碳，且20天100次的循環(huán)測試顯示，材料性能無衰退跡象。

一份特別的生日禮物

2021年，從清華大學(xué)化學(xué)系畢業(yè)后，22歲的周子暉來到加利福尼亞大學(xué)伯克利分校深造。

周子暉所在的課題組從2019年就開始了這項材料的研究。當(dāng)時只有一個模糊的思路，即把盡可能多的氨基作為二氧化碳的吸附位點，并通過共價連接的方式建造一個穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)。不過，最初為了降低難度，團(tuán)隊選擇先設(shè)計一個穩(wěn)定性稍差、合成難度也相對較低的骨架，再通過后續(xù)優(yōu)化提升穩(wěn)定性。

然而花了兩年時間，嘗試了各種各樣的材料、設(shè)計了無數(shù)連接方案，他們都沒有得到想要的結(jié)果，骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。

很顯然，這個看似捷徑的方式把課題組引入了死胡同。沒辦法，只能“上難度”。團(tuán)隊成員很快調(diào)整思路，決定直接進(jìn)攻穩(wěn)定性強且難度高的骨架結(jié)構(gòu)。

交給誰來做呢?導(dǎo)師看了看被折磨了兩年的“老兵”們，一時間竟找不到合適的人選。正在這時，周子暉加入了課題組。

“很快，設(shè)計材料的重任就交給了我。我至少試了20種不同的骨架結(jié)構(gòu)，無論怎么改進(jìn)設(shè)計方案，就是做不出多孔材料。”回想起那段晝夜不分卻“顆粒無收”的日子，周子暉依舊“很崩潰”。

課題組每兩周的周一舉行組會。“周日下午，實驗室里基本坐滿了人，大家都在補數(shù)據(jù)。只有測出滿意的數(shù)據(jù)，大家才會離開。”周子暉說，“當(dāng)時我們課題組發(fā)表過的最好的二氧化碳吸附量是0.3毫摩爾每克，但前兩年我所有的實驗數(shù)據(jù)都沒有超過0.05。趕上組會，如果實在沒數(shù)據(jù)，就只能改改上次的PPT，調(diào)調(diào)順序，重新匯報一遍。”

就這樣，被失敗反復(fù)打擊的周子暉被迫養(yǎng)成了好心態(tài)。當(dāng)?shù)谝淮慰吹?.4的吸附量時，他不敢相信地揉了揉眼睛。

沒看錯!周子暉情難自禁，一個箭步把導(dǎo)師拉了過來，告訴他這一喜訊。

命運的轉(zhuǎn)折總是悄然而至。從那以后，實驗變得非常順利，數(shù)據(jù)從0.4慢慢優(yōu)化到0.9。2023年底，周子暉測完了所有數(shù)據(jù)，開始著手寫論文，并于2024年4月底將論文投出。

“導(dǎo)師當(dāng)時說，這么好的材料要選一個好記的數(shù)字，于是將其命名為COF-999。正好我的生日是1999年9月27日，年份有9，月份有9，27也是由3個9組成。”周子暉笑著說。

不光名字有紀(jì)念意義，2024年9月，他驚喜地得知，論文已被《自然》接收。

“這真是一份特別的生日禮物。”周子暉興奮地說。

要走的路還很長

“直到實驗結(jié)束，我都沒想過成果能在《自然》發(fā)表。”周子暉告訴《中國科學(xué)報》，2023年底，在和導(dǎo)師總結(jié)數(shù)據(jù)時，他們突然想到，既然測試數(shù)據(jù)這么好，不妨試試能否在室外吸收二氧化碳。

“當(dāng)時導(dǎo)師沒抱什么希望，因為此前大家的研究都是基于實驗室展開，很少有人在室外測試。”周子暉說。

他買了一些器件進(jìn)行改造，前前后后花了快一個月時間，終于開發(fā)出了合適的設(shè)備和程序。

“我們在校園里做了這項實驗，通過一根管子將空氣送進(jìn)儀器，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過COF-999處理后，二氧化碳濃度從0.04%降到0。”周子暉驕傲地說，如果把20天的實驗數(shù)據(jù)延展到365天，意味著只要200克COF-999，一年就能吸收20千克二氧化碳，相當(dāng)于一棵成年樹木每年吸收的二氧化碳量。

這項研究得到了審稿人的高度認(rèn)可：“這項工作非常扎實，為從空氣中吸收二氧化碳提供了理論支持。”

但周子暉明白，要走的路還很長。“要實現(xiàn)COF-999的大規(guī)模應(yīng)用，這項研究還有很多值得深入的部分。”周子暉解釋說，“但我相信柳暗花明，只要踏踏實實走好每一步，一定能有所收獲。”

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08080-x