文｜《中国科学报》见习记者 赵宇彤
如果明天就要开组会，实验却一直毫无进展，你会怎么做？
这种煎熬的日子，周子晖过了两年。作为美国加州大学伯克利分校的博士生，他一直学着和失败打交道。看着不如人意的数据，以及老师下意识地摇头，他能做的只剩下一次次尝试和期待。
“山野都有雾灯”，这是周子晖的微信个性签名，也恰似一种印证，置身迷雾已久的他，终将等来照亮自己的那盏灯。
在失败的反复打磨下，周子晖持续优化着每一个实验步骤。功夫不负有心人，在一次实验中，他终于得到了理想的数据，此后更是“一路绿灯”，顺利发现了一种能够从空气中捕获二氧化碳的新型多孔材料。
10月23日，以周子晖为第一作者的研究成果发表于《自然》。这一成果从投稿到接收，仅仅用时4个月。
周子晖 （受访者供图，Robert Sanders摄）
捕获二氧化碳的“秘密武器”
直接从空气里“抓走”二氧化碳，被许多科学家视作碳中和的“最后一公里”，但从技术层面上看，能不能实现？该怎样实现？始终没有得到答案。
“工业革命前，空气中的二氧化碳浓度一直稳定在0.03%以下，但工业革命后，这个数值快速升到了0.042%，相较之前高出了近50%。尽管看上去浓度很低，但已经造成了全球气候变暖。如果再不采取行动，将导致更严重的后果。”周子晖告诉《中国科学报》，二氧化碳吸附有两大方向，一种是从工厂排放的烟气中“捕捉”二氧化碳，从源头避免其继续排放；另一种则是直接从空气中“抓走”二氧化碳，通过吸附空气中已有的二氧化碳，让其浓度不再升高，甚至逐渐回落至原始水平。
其实，从空气中捕捉二氧化碳的想法并不新鲜。
早在1999年，美国亚利桑那州立大学的化学工程师克劳斯·拉克纳（Klaus Lackner）首先提出该设想。此后，不少科学家围绕二氧化碳的酸性特质“大做文章”，试图利用各类碱性物质实现酸碱反应，吸收空气里的二氧化碳。
然而，种种尝试都铩羽而归。
“一类材料是复用条件高，通常要在600至900°C的高温下，才能让这类材料‘再生’，重复利用吸收二氧化碳；另一类材料是稳定性差，哪怕是在无水无氧的理想条件下，10次左右就出现了明显的性能衰退。”周子晖解释道。
周子晖则另辟蹊径，在导师奥马尔·亚吉（Omar Yaghi）提出的共价有机框架结构（COFs）基础上，开发了一种新型多孔材料，使用稳定的共价碳—碳键作为材料骨架，并在其孔隙内部“装”上了尽量多的氨基，让其充分吸收二氧化碳。
不同于仅通过小分子间的弱范德华力的非共价连接，这类材料采用的共价连接方式，通过共享电子的方式将原子紧密连接在一起，骨架更加坚固稳定。
“此外，共价有机框架本身是个具有疏水性的有机材料，吸收二氧化碳的同时吸水量小，二氧化碳脱附过程中的耗能小，整体的再生温度更低。”周子晖说，在25°C的室温条件下就能有效释放捕获的二氧化碳，且经过20天100次的循环测试，材料性能并无衰退迹象。
一份特别的生日礼物
2021年，22岁的周子晖从清华大学化学系毕业后，如愿来到加州大学伯克利分校深造。尽管做足了思想准备，他还是被读博生涯的第一个挑战打了个措手不及。
周子晖所在的课题组从2019年就开始了这类材料的研究。当时只有一个模糊的思路，就是要把尽可能多的氨基作为二氧化碳的吸附位点，通过共价键连接的方式建造一个稳定的骨架结构。不过，最初为了降低难度，团队选择先设计一个稳定性稍差但合成难度也相对较低的骨架，再通过后续优化提升稳定性。
然而花了两年的时间，尝试了各种各样的材料，设计了无数个连接方案，都没有得到想要的结果，骨架结构的稳定性远远达不到要求。
很显然，这个看似捷径的方式把课题组引入了死胡同。没办法，只能“上难度”了，团队成员很快调整思路，决定直接进攻稳定性强但难度高的骨架结构。
交给谁来做呢？导师看了看被折磨了两年的“老兵”们，一时间竟找不到合适的人选。正在这时，周子晖加入了课题组，带来了新鲜血液。
“很快，设计材料的重任就交给了我。我至少试了20种不同的骨架结构，无论怎么改进设计方案，就是做不出多孔材料。”回想起那段昼夜不分却“颗粒无收”的科研经历，周子晖依旧感到崩溃。
课题组每两周的周一早晨固定召开组会。“周日的下午，实验室里基本坐满了人，大家都在补数据，直到晚上九点、十点，只有测出满意的数据，才会走人。”周子晖说，“当时我们课题组发表过的最好的二氧化碳吸附量是0.3（毫摩尔每克），但我前两年所有实验数据没有一个超过0.05。赶上组会，如果实在没数据，就只能改一改上个月的PPT，调调顺序，重新汇报一遍。”
就这样，被失败反复打磨的周子晖被迫养成了好心态，当他第一次看到0.4的吸附量时，难以置信地揉了揉眼。
没看错！他确实设计出了能吸收二氧化碳的新型多孔材料，周子晖情难自已，一个箭步把导师拉了过来，告诉他这一喜讯。
命运的转折总是悄然而至。从那以后，实验变得非常顺利，从0.4慢慢优化到0.9。2023年底，周子晖测完了所有数据，开始着手写论文，并于2024年4月底完成投稿。
“当时导师说，这么好的材料，要选一个好记的数字，让大家都记住它，于是命名为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个9组成。”周子晖笑着说。不光名字有纪念意义，2024年9月，他惊喜得知，论文已经被《自然》接收。
“这真是一份特别的生日礼物。”周子晖兴奋地感慨。
“站在巨人肩膀上”
“直到实验结束，我都没想过论文能发表在《自然》上。”周子晖告诉《中国科学报》，2023年年底，在和导师总结数据时，他们突然想到，既然测试数据这么好，不如试试能不能在室外空气里吸收二氧化碳。
“当时导师没抱什么希望，因为此前大家的研究都是基于实验室展开，很少有人在室外测试，他觉得如果真能做成，保证能发一篇‘正刊’。”吃下了导师画的“大饼”，周子晖干劲十足，他买了一些器件开始改造。
怎样克服室外条件的不稳定，把空气顺利引入仪器当中？又怎样将其转化成可视化的数据？前前后后花了快一个月的时间，周子晖终于做出了合适的设备和程序。
“我们在伯克利校园里做了这项实验，通过一根管子将空气送进仪器里，发现经过COF-999处理后的空气，二氧化碳浓度从0.04%降到0。”周子晖骄傲地说，如果把20天的实验数据延展到365天，就会发现只要200克的COF-999，一年就能吸收20公斤的二氧化碳，相当于一棵成年树木每年吸收的二氧化碳量。
这项研究也得到了审稿人的高度认可：“这项工作非常扎实，为从空气中吸收二氧化碳提供了理论支持。”
而在周子晖看来，所有的成果不过是“站在巨人肩膀上”。“这项研究能取得如此成绩，离不开前面师兄师姐们的开路，给我们提供了非常宝贵的经验。”周子晖说，孤身来到美国，一边是繁重的课业负担，一边是毫无进展的实验压力，和师兄师姐们的欢聚时光，成了他生活里仅剩的亮点。
“我们组里一共25个人，其中大概十来个中国人，每次压力大的时候，大家就一块儿聚餐聊天来减压。”周子晖回忆道，每逢春节，大家都主动跑到博士后师兄师姐家蹭饭。厨房里的烟火气、洋溢的饭菜香，使周子晖在大洋彼岸又找到了“家”的感觉。
现在，博士三年级的周子晖也学着师哥师姐的样子，为后来者铺路。“要想实现COF-999的大规模应用，这项研究还有很多值得深入的地方。”周子晖解释道，“一方面，从实验角度，怎么在现有材料上进一步优化，比如提升二氧化碳的吸附效率等，另一方面，从工程角度，怎样设计材料装置以实现大规模应用，都是挑战。”
“要走的路还很长。”周子晖万分感慨，“但我相信柳暗花明，只要踏踏实实走好每一步，一定有所收获。”
相关论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08080-x
编辑 | 方圆
排版 | 志海
合作事宜：hezuo@stimes.cn
投稿事宜：tougao@stimes.cn
