陸克定：掌控污染物壽命的自由基

在這個由原子組成的世界中，有一個特別的法則：只要有兩個以上的原子組合在一起，它們的外圍電子就一定要配對：如果不配對，它們就要去尋找另一個電子，使自己變成穩定的物質。這種有著未配對電子的原子或分子，就叫作自由基。自由基非常活躍，就像人類社會中的革命力量，它們除舊迎新，促進了自然界的新陳代謝。

20世紀70年代初，科學家們發現了大氣自由基的存在。工業革命以來，隨著人類科技的突飛猛進，化學制劑大量使用，汽車尾氣和工業生產廢氣增加，大氣自由基化學十分活躍。一方面，它們拼命去除著人類排放的廢氣；另一方面，這種自由基“代謝”反應又帶來副產物——這些副產物具有較強的水溶性，在產量低時可以為干濕沉降過程所去除，是大氣實現自我凈化的必需品：但當它們產量高時，就表現出顯著的人體毒性和輻射強迫作用，是促成區域二次污染和全球氣候變化發生的關鍵機制之一。因此，研究大氣中自由基的形成、化學反應及化學歸宿，已成為大氣化學的前沿領域，與環境污染防控、人類健康和氣候變化息息相關。

舉例來說，霧霾可謂是近年來的“網紅”，北京人出門買菜都不忘先看看PM2.5的指數，一入冬經常滿城盡戴白口罩。國內霧霾嚴重的現狀促使各個學科的學者們貢獻自己的力量，其中當然少不了“科班出身”的大氣環境化學專業的研究者們，如北京大學“百人計劃”研究員陸克定?！耙卫盱F霾，首先必須要弄清霧霾的成因?，F在我們知道，所謂霾，其實是大氣中的自由基在去除一次污染的過程中產生的二次污染。在治理霧霾的過程中，必須考慮開展基于大氣自由基化學基本原理的區域污染調控策略。”他說。

科學的熱土在國內

每個人的心中都有夢想，夢中的征途或許是星辰大海，或許是靜室花開。而陸克定無疑是前者。

本科時，就讀于南京大學環境工程專業的他，主要研究水和土壤的污染。由于二者的流動性相對偏小，他大多時候是在實驗室守著瓶瓶罐罐做實驗，這并不符合陸克定的心理預期。他比較“好動”，不喜歡固守實驗室，而是青睞于遼闊的研究環境。比起相對局地的水和土壤研究，他更感興趣的是更大尺度層面的問題，比如最小尺度也是一個城市群的大氣環境研究?！按髿鈫栴}探索中常用的外場觀測研究是一種極具魅力的研究手段，各種尖端科技設備在這里圍繞特定科學問題的探索，各司其職、相互配合，演奏出壯麗的篇章。在觀測期間，不管是目睹先進設備運行運轉，還是參與老中青科學家們的聚首和討論，亦或是感受師生一家人的融洽，都很吸引我?！标懣硕ㄑa充道。

如果說最初只是萌發了一種念頭的話，那么在與南大的一些指導老師交流，被推薦閱讀了唐孝炎院士編著的《大氣環境化學》一書之后，陸克定已經對大氣環境化學分外入迷了。2004年，他報考了北京大學環境科學專業的研究生，師從導師張遠航，攻讀博士學位。陸克定表示：“張老師是唐院士的學生，也是國內大氣環境化學領域的領軍人物，在和他討論后，我把研究方向定為了大氣環境化學皇冠上的明珠——大氣自由基化學?！?/p>

大氣環境化學是一個年輕的學科，大氣自由基化學更是其中的前沿研究領域。工欲善其事，必先利其器。要想從事相關研究，首先得有配套設備。大氣中的自由基活性很高，但濃度卻很低，對其進行捕捉需要精度極高的儀器，而當時世界上只有四五個小組擁有這樣的設備。通過國際合作，陸克定于2005年前往德國Juelich研究中心（Forschungszentrum Juelich），接觸到了當時全世界最先進的設備，直接與這些尖端儀器的開發和數據分析人員交流，同時師從以嚴謹著稱的德國導師，樹立了“質量就是生命”的學術思想，在開闊眼界的同時，也豐富了學識，為以后的研究打下了堅實的基礎。

最初到德國的時候，陸克定差點兒變身“迷弟”。在大氣自由基化學領域，有一些引用率極高的論文，在同領域的研究者中有很高知名度。而此次在德國，陸克定看到了許多“活生生”的著名論文作者，能夠與他們面對面直接交流，讓他一時間激動不已。

但這還不是陸克定感觸最深的，要說印象深刻，還得是在數理化和excel上的碰壁。

“在國內的時候，我聽說歐美研究生的數理化水平僅相當于國內的高中生，結果去德國發現，人家的數理化比我們還好。當時心里就憋著一股氣，正好Juelich位于德國西部與荷蘭、比利時交界處，是個大農村，遠離喧囂，適合惡補功課?！标懣硕ㄐχf，“那里的圖書館科技文獻館藏豐富，可以看最好的英文原版教材。當時就想著不能讓外國人看笑話，廢寢忘食地充實自己，慢慢地數理化的水平得到了很大提升?！?/p>

而說起excel，那又是一部辛酸史。在國內時，陸克定與大多數同事一樣，使用excel來處理研究數據，去了Juelich時卻發現，那里的研究人員都用編程來處理數據，效率奇高。他也跟著學，學的時候很痛苦，但是后續的好處卻是實實在在的。陸克定說：“同樣是這么多數據，如果用excel來處理，可能需要一年，因為其中許多東西都是重復勞動。如果用編程的話，可能最初幾周編程序的時候很痛苦，但是一旦程序寫好了就可以讓它自己運行，可能總共就需要一個月。事實上待處理的數據越多，編程的優勢就越明顯，會使效率成倍提升。”

對于陸克定而言，這趟Juelich之行可謂收獲滿滿。但是他心里清楚，Juelich只能作為充電的地方，科學的熱土還是在國內?！澳軌蛄糇∪瞬诺模挥惺聵I?！标懣硕ㄕJ為，在大氣自由基化學領域，國內的霧霾問題已成國際熱點，這里是問題的發生地，還有著不輸于國外的科研條件，有什么理由不回國發展呢？的確，從“出國潮”到“歸國潮”，我國的科技發展有目共睹，回國建設也成為了新一輪的時髦之選。

2012年8月，陸克定入選“北京大學優秀青年人才引進計劃”，并于當年9月入職北京大學環境科學與工程學院，受聘“百人計劃”研究員，信心滿滿，揚帆起航。

“氧化小能手”自由基

說起自由基和霧霾的關系，陸克定頓時打開了話匣子。

人類與自然界排放的一次大氣污染物通過“氧化小能手”自由基的作用，經由大氣氧化轉變為高價態親水化合物，進而經由干濕沉降回到地表，這是地球大氣環境得以自凈的基本原理。“如果一切順利，我們排放的大氣污染物完全能夠依靠自由基，由大自然自凈掉。問題在于，這個過程中發生了意外?！标懣硕ㄋf的“意外”，主要是因為一次污染物的排放強度過高，而自由基并不管這些，它還是將接觸到的一次污染物都氧化了。這樣一來，一次污染物的氧化速率遠高于沉降通量，高價態親水化合物的環境濃度開始積聚并達到人體毒性水平，最終表現為區域尺度上的二次污染問題，即“霾”。這些二次污染物不僅影響人類健康，對全球輻射收支也存在著各種直接或間接的影響，相關氣候效應顯著。因此，大氣自由基化學作為大氣氧化性的主要來源，是理解區域二次污染和全球氣候變化等重大環境問題的理論基礎。

在我國，伴隨著國民經濟的高速發展，在高強度排放和強氧化性的共同作用下，在京津冀、長三角和珠三角等超大城市群地區形成了高濃度一次污染物和高濃度二次污染物共存的復合污染大氣環境。目前大氣復合污染的表征工作已較為細致，然其形成機理尚待深入研究，這其中一個核心任務即是厘清大氣復合污染狀態下自由基化學機制。

回國以來，陸克定共承擔了3項國家自然科學基金項目，1項總理基金攻關項目子課題，作為學術骨干參與了2項國家自然科學基金項目和1項中科院戰略性先導專項等，從環境光譜學測量技術和城市地區大氣自由基化學兩個方向探索，致力于從化學的角度解讀區域二次污染的形成機理，為區域二次污染防控提供科技支撐。

在環境光譜學測量技術方面，陸克定在北京大學-德國Juelich中心聯合研究框架下，基于激光誘導熒光技術（簡稱LIF技術）建立了國內首套大氣HOx自由基測量系統。新系統模塊化地集成了一系列關鍵技術，包括激光單元、檢測單元和標定單元等，在外場觀測期間實現了系統的高效穩定運行。團隊基于最新研究進展進行了改進，在OH測量單元上集成了化學滴定模塊，在HO2測量單元上集成了NO調節模塊，有效保證了上述兩個參數外場測量準確度，在2015年HOx自由基國際研討會上被列為目前全球8個LIF小組之一。

此外，團隊還基于非相干寬帶光腔增強吸收光譜技術（簡稱IBBCEAS技術），解決了測量過程中水汽吸收干擾，反射率和進樣損失定標，光譜高精度反演，實現系統熱穩定性等關鍵技術，建立了具有國際先進水平的環境大氣NO3和N2O5的在線高精度測量系統；基于長光程液芯光纖吸收光譜技術（簡稱LOPAP技術）建立了國際先進的大氣HONO測量系統。該系統集成最新液體傳輸和檢測模塊技術進展，采用動態零點技術，實現了大氣HONO的高精準測量，搭建系統的檢測限為10pptv，時間分辨率為3分鐘，儀器不確定度為10%。

在上述核心技術成功研發的基礎上，陸克定還結合北京大學大氣化學研究團隊已有測量設備，如太陽光譜光度計、高精度氮氧化物測量儀、基于在線色譜質譜的VOCs測量儀等，基于閉合實驗思想，建立了具有國際先進水平的大氣自由基化學外場觀測研究平臺，針對自由基的來源一轉化一去除過程展開了系統觀測研究。從2014年開始，他們在京津冀和珠三角區域的典型城市和郊區站點開展了系列大氣自由基化學綜合觀測，現已成為全球大氣自由基化學研究的主要團隊之一。

我國有幾大典型城市群，如京津冀、珠三角、長三角等。由于北京地區嚴重的霧霾，對其自由基的研究已經有了一定結果，但大多數相關研究還是以白天為主，陸克定在國家自然科學基金面上項目中對北京地區的夜間大氣自由基進行了觀測和模擬。

他還對珠三角地區的OH和HO2濃度水平進行了觀測，發現其實際OH濃度遠高于現有大氣化學模式模擬值。在此基礎上，在2016年開展的國家自然科學基金重大研究計劃重點支持項目“長三角大氣氧化性：定量表征與化學機理開發”中，陸克定又對長三角地區展開了探索?！叭绻丫┙蚣?、珠三角、長三角三大樣本拿到，我們就能初步構建一個中國大氣自由基化學反應機制，新機制相比起現有機制肯定會更為準確和全面。往遠了想，在目前歐美開發的反應機制中集成中國的發現，就有希望發展一套真正在全球都適用的對流層化學反應機制?！?/p>

學生培養中的純中國制造

很多人提起自由基就色變，日常見到最多的當屬護膚品宣傳中的“抗氧化”用語，其實就是對抗“自由基”。對于人類來說，自由基的作用非常重要，在生命維持和細胞凋亡機制中扮演了重要角色。同樣，它在大氣中也是不可缺少的存在。

舉例來說，20世紀20年代，科學家們合成了氟利昂。其化學性質穩定，不具有可燃性和毒性，進入身體也沒有風險，被當時的人們認為是一個非常環保的發明，也因此被當作制冷劑、發泡劑和清洗劑，廣泛用于家用電器、泡沫塑料、日用化學品、汽車、消防器材等領域。但是，正因為氟利昂完全惰性，自由基也拿它沒辦法。因此，它們可以在大氣中存活數百年，其中大部分停留在對流層，一小部分升入平流層，并不斷破壞臭氧分子，最終威脅到人類的安全。

陸克定說：“這也是我喜歡大氣化學的原因——從宏觀的大尺度角度來看待問題，不會被一葉障目。從小尺度來說，氟利昂的化學性質很好，但從大尺度來說，它卻是要被淘汰掉的存在。”

從這個例子可以看出來，大氣自由基的存在十分有必要，大多數時候，它可以將大氣中的一次污染物自凈，決定了每一個污染物的壽命。陸克定呼吁：“弄清楚這個，對于我們控制污染物非常重要。在治理霧霾的過程中，一定不能因噎廢食，要避免干擾自由基正常發揮作用，否則后果將難以預測?！?/p>

作為一個留德進修的“海歸”，陸克定的想法很“怪”——他不贊同自己的學生出國留學。乍聽之下令人不解，聽了他的解釋才恍然大悟。“近代以來，我國每一代人都出去留學，之前幾代還有情可原，畢竟當時國內的平臺跟不上，但這種情況一直持續的話就有問題了——既然上一代人已經出國留學了，那么最先進的方法已經被他們帶回了國內，為什么下一代依然要出國？難道我們這些有著‘海歸’履歷的大學教師真的教不好下一代學生嗎？”陸克定自問到。中國的人才必須是純粹的中國制造，只有這樣才能形成我們的品牌和國際影響力。

正因為此，他有一個想法，就是所有的學生在學制內都純本土化培養。他跟自己的學生說：“你一無所知地出國，就只是單純地去學習：如果你在國內把該學的、能學的都學好了，學精了，帶著成果和未解的問題出國，到國際上最尖端的地方去短期交流和交鋒，互相取長補短，那個時候你感受到和學到的將截然不同?！蹦壳翱磥?，陸克定取得了初步的成功。他培養的博士生取得了國際一流的成果，在國際會議交流中贏得了國際上最先進研究團隊的尊重。

對于自己的學生，陸克定十分有耐心。他知道，學生們剛踏入研究領域的時候都很茫然，這個時候要手把手地教，給他一個很確定的題目，教他一種很確定的方法，然后讓他取得一點成功的喜悅，慢慢地來建立信心，好的開始就是成功的一半了。在陸克定那間不大的辦公室里，除了他的辦公桌，還擺著幾張學生的桌子——學生們平時在那里學習，如果有問題，一扭頭就能得到回答，這樣的安排無疑會給予學生極大的安全感。

陸克定從不給學生貼標簽，他認為“現在需要的都是復合型人才，沒有哪個學生就是只適合做某一方面的研究”。他還會跟學生平等地討論，探討其長遠的規劃。很多時候，不謀全局，不足以謀一域，不謀萬世，不足以謀一時，一個長遠的、明確的規劃對于學生的發展至關重要。

現在都說“不忘初心”，做環境科研的初心無疑是要探索環境問題形成背后的科學規律，為污染控制提供堅實的科技支撐，陸克定正謀劃著提取所有關鍵環境問題背后所蘊藏的自由基化學原理，嘗試用統一的方法來建立排放與二次污染形成的內在聯系，最終形成最科學合理的污染防治策略。

他的研究起始于地面超級站中的HOx自由基觀測實驗，之后又逐漸擴展到大氣化學反應機理的實驗室研究，如今更是瞄準了觀測中最難的航空測量研究和全譜系大氣自由基化學機制的構建，以及相應先進研究成果的落地應用，在“復合型人才”的道路上越走越遠。而在我國科研由跟跑、并跑向領跑轉變的過程中，需要的就是這樣的人才。這條向著星辰大海的征途，陸克定已漸入佳境。