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他们在实验室里,阻击全球变暖

他们在实验室里,阻击全球变暖

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本文来自微信公众号:边码故事(ID:tech-kk),作者:李漫漫,原文标题:《阻击全球变暖》,图片均由受访者提供


第26次联合国气候大会正在苏格兰城市格拉斯哥举行。在一个被新冠大流行重创的世界里,一个避免气候灾难的机会之窗正在迅速关闭。“如果我们不采取果断行动,我们就是在浪费最后一次扭转局势的机会”。


“碳中和”正在成为全人类的共识和目标,这一理念代表着一种希望:通过节能减排和植树造林等储碳方式,最终将人类活动产生的碳排放完全抵消。一批科学家正在为这一目标做着孜孜不倦的努力并提供卓越的〖de〗贡献。来自北京大学的‘de’郭少军、清华大学的林波荣和香港科技大学的颜河都是其中的一员,他们分别从氢能、绿色建筑、有机光伏的领域出发,从碳排放中关键的节点入手,为环境和气候带来改善。


他们都是旨在奖励最优秀青年科学工作者“科学探索奖”的获得者。正如人们可以想象的,科学家们总是要经历一定的迷茫和多次的尝试,才能达到现在的成就。失败的实验、难发表的文章、现实的经济压力等都曾困扰着他们。当被问到进行科学工作最需要的品质时,他们给出的答案有坚持、认真、责任心、包容和平和的心态。而在工作得到注目和嘉奖之前,这些也就是他们故事里的关键词。


当步入新的阶段之后,他们都选择了去做学术界限之外的事——产业化{hua},即使这意味着未知和阻碍。但在科学上的探索不仅是在学术道路上的追求,更是一个人关于自己边界的探寻。


节碳的道路


在清华大学建筑学院的大楼里,有几间独特的房间,工作空间和储物空间错落有致,室内安装着智能化的新风和照明系统,这是林波荣教授为自己和学生们改造的办公室。他在个人生活中的建设与他的工作内【nei】容相符——创造更好的人居环境。


人生活在建筑里,而并非与建筑隔绝。建筑物制造了声、光、热环境,这些都和人的感受与健康息息相关。林波荣的工作就是运用技术,使人工作生活的环境更健康舒适,同时建筑本身也更节能低碳。以大型公共建筑为例,建筑物每年的能耗接近每平方米两百度电左右,但是林波荣的团队通过优化可以使它降到六十度电甚至更低。


实现这样的跨越,靠的是建筑、能源、材料和信息等学科的交叉融合。首先是设计建筑环境控制系统,处理和输配空气,控制灯光,此外还可能要改变建筑能源结构。最近几年里,一些医学知识也会被运用进来。林波荣团队设计了多个人工气候室,用真实人群作为实验对象进行模拟测验,研究什么样的温度、湿度、二氧化碳浓度、色温和照度等环境参数组合,最有利于人体的健康并实现节能。


林波荣并非是一开始就找到了这一研究方向,他本科专业是暖通空调。正如它的名字所显示的那样,这个专业学习的东西是非常专一的,专注于建筑的供暖通风和制冷空调。等到他读研究生的时候,因为院系调整,整个学科从热能工程系转移到了建筑学院,林波荣从这一调整中获益匪浅。在建筑学院,他有机会和大量的一线建筑设计师合作。在具体的工程里,他逐渐找到了一条明晰的研究线索。


林波荣


“建筑设计是在上游,有点像在重庆,甚至是唐古拉山,接近于我们说的长江的源头。我原来做的暖通是在下游,等于说是在上海。我做的东西相当于从最下游一直回溯到了最源头,这个过程里体会到了每《mei》一个阶段的创新需求。”林波荣用河流的上溯来形容他研究的转向。


与林波荣的工作不同,颜河的研究聚焦于碳气体产生的根源之一——发电《dian》。在碳中和的大趋势之下,太阳能电池的应用越来越广泛,不同类型的太阳能电池的开发成为了研究重点。化学背景出身的颜河的研究对象即是有机太阳能电池材料。这种有机材料能够吸收大量的光,实现高效的光电转“zhuan”换。


颜河


在北大读本科的时候,颜河就发觉了自己对应用化学的兴趣。“可以用化学的东西去发光,做显示器的屏幕,做太阳能电池。”这是他对前沿有机化学的直观认识。这一领域最吸引他的地方还在于,一切的知识都可以学以致用。所以在研究生升学时,他很顺利地选择在有机材料研究上进行深耕。


郭少军所做的工作则是如何实现绿色氢能的高效转换与利用。即是如何把太阳能、风能等可再生能源转成电,再用电驱动水分解制氢,然后用氢做燃料实现高效氢氧燃料电池。郭少军的研究就是如何实现氢能和燃料电池所用的催化剂和膜电极高性能化。


郭少军


而他的研究目标落实到现实世界里特别有价值:“燃料电池技术突破之后,新能源汽车的价格就会下降。比如现在日本Mirai燃料电池车价格是40万,未来希望它能降到20万。开发出超低铂载量的高性能膜电极是其中最关键的一步。”“氢能和燃料电池的技术创新是实现碳中和的重要途径之一。”


找到那块积木


颜「yan」河用搭积木来形容他的工作:“我们科研就像小孩搭积木一样,只不过我们用的是碳、氢、氮、硫等几种原子来搭积木,小孩做的是游戏,我们做的是科学。”因此爱上科研的原因也变得很简单:“搭积木创造新的东西。”实际上,做科研的过程的确类似于一场创造的游戏,实力和运气缺一不可。


在颜河刚刚到香港科大的时候,有本科生来到他的实验室做毕业设计。在貌似简单的合成过程中,这位学生偶然发现了一个性能极佳的神奇材料。颜河意识到这个材料有着极其不同的性质,在他的坚持下,课题组对这个材料进行了进一步的挖掘,由此在科研领域开创了很大的一片天地。


但其实在内地,也有老师曾经发现过这个材料,却因为材料的形态直接错过了。这种材料在室温下是凝胶状态,一般来说是无法使用的,颜河想到了办法将它加热,让它像油漆一样可以刷上关键部件。同样很好的一个机会,除去运气的因素,只有即时的敏锐观察力才能把握住。


在芝加哥做课题的时候也是这样。有一个颜河冬天研发出来的材料,当它被交予实验室的研究生继续做的时候,却发现怎么都无法重复做出来,直到第二年冬天才重现当时的工作性能。当时大家都以为中间的间隔时间是必经的摸索和碰壁的阶段。但是颜河通过自己再次上手制作材料发现了奥妙:这个实验只有冬天能做出来,因为这个材料非常吸水,在潮湿的夏天工作性能会受此影响。“实验不一定是可以预测可以设计的,要通过仔细的观察才《cai》能体会。”颜河说 shuo[。


颜河在实验室


2006年,颜河遇到了一个新的机会,过去博士的老板给他介绍了一家材料创业公司的经理职位。创业失败了,但他在创业过程中发表的文章让他意识到了新的职业选择,他可以去当教授。回国找到教职之后,他的工作却停滞了一段时间。在最初的一两年里,他做了很好的工作,却发表不出论文。理所当然的,他感到郁闷和难受。


“就是等”,颜河回忆那时的境况,“等到把这个论文熬出来。”他一直等到翻过了这个坎。当现在有年轻的同事或者学生遭遇相似的情况,被一个坎困住,他知道该怎么去劝慰他们:“路“lu”还长着,不要拘泥于眼前的得失,前面的起起伏伏多得是。”


同样是2006年的夏天,林波荣在清华大学博士后出站留校,拿着1500元的工资,只够养活自己。学术上的困难是很具体的:前沿的理论并不是马上能应用到工程;做的东西过于交叉,难以在学科上归类,以至于难以找到前人的经验借鉴。

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“其实走了一条相对比较难的路,也没有什么经费,也不是热点。”林波荣回忆说。当时跟着他的学生也感到迷茫,有读博士的学生找他问,说这东西太前沿,太创新,要不自(zi)己转读一个硕士毕业算了?现实的压力也摆在眼前。他想把妻子和孩子接到北京来,但各种困难显然让他无能为力。


林波荣(中)疫情期间在武汉


“感觉自己感兴趣的就是这方『fang』面,而且我这个人属于天生的乐观派。”他概述自己如何渡过难关。在郁闷的时候,他会打开水木清华BBS,看看笑话等杂谈趣闻版块,一笑了之。他还喜欢看电影,无论类型,只是让自己放松。有一首偶然看到的诗让他感受很深刻:“手把青秧插满田,低头便是水中天,六根清静方为道,退后原来是向前。”他的理解是:“只要你想清楚了,有时候就算看起来退步了,其实也是向前。”


林波荣在进行室内光环境测试


忘记压力的方式最重要的是持续不断地工作。他一天工作时间接近17个小时,白天做科研,晚上处理工程上的事情,出去吃饭都很少,活动范围就是宿舍、食堂、办公室。因为没有时间运动,从毕业到2012年,他重了三四十斤。


在坚持之下,长久的努力带来的转折点,2012年之后,他明显感觉到自己的研究进入了一个更加顺利的轨道。曾经的烦恼也解决了:爱人毅然辞掉了苏州的好工作,家庭在北京团聚;曾经担心博士课题做不下去的学生们,连续获得清华大学优秀博士论文,毕业后也找到了很好的教职和工作。


“做科研就像是登山一样,或者说像旅行一样,你过了很多山,才会发现感受到了旅途上的美。”林波荣说。“每一步都很重要。”他也感念自己的幸运:“非常感恩行业内的很多大学者对我的指点和支持,他们在学问、见识和为人上对我指导很多,让我学会着眼于整个行业、整个学术界进行思考和开展研究。”


工作渐入佳境之后,重要的机会也纷至沓来。2013年1月,北京的最高楼中国尊就绿色建筑和节能技术方案招标。当时团队里的其他老师都去东南亚旅游了,林波荣一个人去了现场。现场气氛很紧张,甲方和中外建筑设计公司的负责人抛出了很多临时性的超高层建筑技术问题,但他都一一解决了。


他提出的节能目标比外方咨询公司低,技术咨询费用却比外方高。但是经过一个半月里的四轮答辩,他成功拿下了这个项目,为此骄傲不已。之后,很多类似的喜讯传来的时候,林波荣反而没有那么在意了。“最近几个重要的项目、奖项答辩完之后,我要么在休息,要么在帮家人带小孩子。”因为把手机静音了,多次迟迟回复师友们早已发来的祝贺。


在进入新能源领域之前,郭少军在好几个不同的学科里打过转。博士他主要从事电分析化学领域的研究,博士后第一站,研究方向是无机材料,第二站则做的是半“ban”导体材料与超快光谱研究。等回国任教后,他思考自己的科研要走向何方时,第一时间想的就是要把之前从事的研究交叉起来。新能源电池马上进入了他的视野。


郭少军带领学生进行实验


在博士、博士后不断地转换方向,其实让郭少军吃过苦头,每到一个新的方向,他都要经过一段艰难的时间去适应。但是学【xue】科交叉的好处在他回国从事新能源电池研究之后显现出来:“由于科学层面涉猎较广,过程中遇到的障碍都能相对容易地找到解决方案。当回顾自己回国六年的科研经历,郭少军自己觉得很少遇到挫折感强烈的时刻。


当然也有过不顺利,但是他都用自己强大的心态化解了。“就当积累经验。”经验帮助他更好地去探索这个科学世界。


实验室到产业之跃


在科学层面上取得相当的成果之后,郭少军把研究重心移向了工程开发和产业应用。对于基础研究创新,郭少军积累了较多的经验和信心,但他发现产业化不是很容易把握,挑战性很『hen』大,往往需要凝结团队的力量,把外围和内部的事情有机地结合在一起,才能把有价值的产品做出来。


过去的几年里,他的研究团队做出了一些成果。 已能(neng)够制备出国际先进的催 cui[化剂和膜电极。后续研究的关键在于从实验室到大规模应用和好的产品。郭少军说这:“将会是一个长期的挑战,也许要花费五年、十年甚‘shen’至更久。要实现一个有价值的产品,其实比发表一篇好的科学论文要难得多。


林波荣博士时期做的建筑性能优化模型和方法研究,到真正工程运用〖yong〗,花费了六年时间。中间经过了很多步骤,他需要先把 ba[研究出来的学术成果试用在已有的项目上,再就效果进行一个基于实测数据的回顾式评估,总结经验后才能用在新的工程里面。


“你做的东西被行业和工程真正认可和应用,这点是最实在的。”项目落地,一〖yi〗直是林波荣的追求。2014年,林波荣开发了一款室内环境健康监控与诊断传感器,它能实时搜集建筑的能耗、温度、湿度、照度、二氧化碳浓度、PM2.5等各种参数数据,到目前为止,这款传感器已经被运用到了国【guo】内外的两百多个建筑项目,收集的数据超过了1.1TB,建立了全球最大的绿色建筑性能数据库。基于此,可研究不同真实环境参数组合下对使用者的长期健康效应。


疫情期间感染区室内测试


2020年,林波荣获得了科学探索奖。在颁奖交流时间里,他和其他获奖者讨〖tao〗论到了更前沿的应用空间——地球南北极,甚至是太空。回来之后,他把在这些前沿应用的创新需求进行了梳理,并从安全与健康、节能与高效、易于建造三个维度来考【kao】虑这一充满想象力的工作。这样的畅想背后是一套成熟的知识体系,林波荣将它概括为“健康环境营造与智慧低碳运维”。“就像杜甫讲的,安得广厦千万间,大庇天下寒士俱欢颜。”


颜河同样在从实验室到产业的路上进行着努力。“你说我是科学家,我觉得不对,我应该更像是一个创业者”,颜河说。“我的下一个目标是把我们更多科研成果,转换成有用的产品。”产业化所面临的问题也是实际且严峻的,甚至从第一步开始就充满两难。当科学家们为自己的项目筹集资金的时候,就必须承受来自投资人的压力,被催着问成果,但是前沿的产业创造并不是完全可控的,就像颜河所感受的,它需要时间。


生活中的颜河是一个热爱‘ai’篮球的人


但是产业化依旧是颜河不能放弃的追求。很多时候,他把这视为自己能对学界做出的独特贡献,来自业界的背景,使得他对产业化有着更深刻的理解。当他展望低碳技术的未来时,产业化是最令他兴奋的部分。


“当每个人想未来要做什么【me】事情的时候,首先要想的是你自己能做一些什么独特的事情。而产业化,这是别人都做不了的,只有科学家能做的事。”他说。


当一个科学家在学界获得了认可,生活的压力已经不再重要,支撑他们继续走下去的动力往往发自内心。驱动他们去完成从实验室到产业这艰难一跃的,都是这种根本的内驱力。他笃定地说:“但是我想做得特别有价值、有意义。


本文来自微信公众号:边码故事(ID:tech-kk),作者:李漫漫,编辑:张逍,点击可查看2021年“科学探索奖”获奖名单

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