作者:田瑞颖 卜金婷 来源:科学网微信公众号 发布时间:2023/9/14 20:17:46
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1轮审稿即发Science!一作和导师却说“不太满意”

 

文 | 《中国科学报》记者 田瑞颖 实习生 卜金婷

“不太满意。”对于刚刚发表的Science文章,许振和导师刘国良不约而同地说道。

全球目前每年产出塑料4亿吨,塑料污染治理迫在眉睫。通过3年的探索,他们将“塑料变肥皂”这一疯狂想法变成现实,并于近日发表在Science上。

通过他们设计的特殊“壁炉”,塑料先被燃烧成蜡,再转化为高价值的表面活性剂和洗涤剂,比如肥皂。美国弗吉尼亚理工大学副教授刘国良是论文的通讯作者,目前在西北工业大学做博士后的许振是第一作者。

1轮审稿,4个月修改,Science对论文的接收可谓相当顺利,但刘国良和许振对论文并不满意。因为发顶刊从不是他们的目标,真正把塑料变肥皂推向产业化,解决实际环境问题,才是他们的初心。

许振(左)和刘国良(右)

塑料化为肥皂:灵感来自壁炉

从2018年开始,刘国良就一直在摸索塑料再利用的路子。但要实现工业应用,这条路必须简单且经济可行。

当前,全球每年塑料产量高达4亿吨,预计到2050年累计产量将增长到340亿吨,其中60%是使用最广泛的聚乙烯和聚丙烯。

将聚乙烯和肥皂放在一起,似乎是八竿子打不着的事。但实际上,在分子层面,它们有着紧密的关联。脂肪酸是肥皂等表面活性剂的主要原料,它的分子结构与聚乙烯相似,只是脂肪酸的碳链长度远短于高分子长链的聚乙烯。

也就是说,如果将聚乙烯的长链断裂,生成长度合适的脂肪酸碳链,塑料变肥皂并非天方夜谭。

2020年圣诞节,结束一天工作的刘国良坐在壁炉旁取暖。凝视木头燃烧的火光,是他最享受的时刻。

突然间,一个疯狂的灵感闯入他的脑海。刘国良迅速找来一个塑料袋,扔进了壁炉,看到塑料袋剧烈燃烧,他又取来一勺食用油倒在木头上,同样产生了剧烈燃烧。

刘国良想,当木头不完全燃烧时,会生成烟雾,这正是木材燃烧过程中纤维素分解成短链分子,形成气体小分子的环节,完全燃烧后就会生成二氧化碳。而塑料和木头一样,在壁炉中燃烧都是从固态到气态。

这似乎意味着,如果能准确控制聚乙烯的燃烧条件,在形成气体小分子之前停止燃烧过程并恰好停止在类脂肪酸的阶段,就可能得到碳链长度合适的分子!

刘国良隐隐觉得,这将是一个绝佳的课题。为此,他找到心中最合适主导它的学生——正在弗吉尼亚理工大学读博士四年级的“90后”许振。

2020年上半年,在新冠疫情最严重的时候,大部分人都居家休息,许振是组内唯一一个徒步三四公里往返实验室的学生。每次饭后散步看到许振在夜幕中徒步回家,刘国良都感动不已。

刘国良

“不给他最好的课题就太可惜了。”决定开干的第二天,刘国良就把许振叫到办公室聊了两个小时,建议他停下手中的工作,专心搞这个课题。

许振向《中国科学报》坦言,自己最初有拒绝的念头,因为手上的工作直接关系着博士毕业,而且如此“高大上”的课题,真正实现需要很多资源和环节,自己也不确定能做到什么程度。

最终,无法抗拒对选题的强烈兴趣,许振决定“孤注一掷”,“大不了就延期毕业呗”。

经过近3年的研究,他们把想象变成了现实,真的打造出一个特殊“壁炉”。这个燃烧反应装置的精妙之处,就在于温度梯度的设置:反应装置的底部温度达到360℃,可以使聚乙烯的长链断裂;但当产生的烟雾上升进入冷区,这些分子会冷凝,避免进一步燃烧分解成更小的气体分子。

经过这样的反应,装置里最终形成的残留物,就是他们要找的聚乙烯的短链分子——蜡。

许振和团队利用塑料制造而成的肥皂

接下来,他们再向装置中注入空气和硬脂酸锰催化剂,对装置中的蜡进行氧化反应以及随后的皂化反应,进而生成脂肪酸,这正是高价值的表面活性剂和洗涤剂的原料。

更为欣喜的是,将聚丙烯放进这个“壁炉”中,也能得到与聚乙烯相似的结果。这意味着,无须在生活中将两种垃圾分类,就可以直接混合送入反应装置。

1轮审稿,4个月见刊,他们还“不太满意”

虽然研究登上了Science,但刘国良和许振都感到“不太满意”。

实际上,早在2021年初,他们在对聚丙烯和聚乙烯进行燃烧反应装置实验时就获得了成功。奇怪的是,后面的催化升级反应却很难再次复现。

于是他们决定暂时放下聚丙烯和聚乙烯的研究,先做实验数据较好的聚苯乙烯。2022年8月,聚苯乙烯的研究取得了不错的成果,并发表于PNAS。

再次研究聚丙烯和聚乙烯时,他们有了新的灵感,尤其是在催化反应阶段调高气流量等,最终解决了实验无法复现的问题。

2023年2月9日,他们将这项研究投给了Science。一个多月后,审稿人一口气提出了近30个问题,包括研究的经济可行性、进一步阐明反应机理等。

接下来的4个多月,许振铆足火力进行突击。

为了解决研究热传导和经济可行性的计算问题,许振找到母校山东师范大学教授张其坤。而先前在聚苯乙烯研究中有很好合作的东北财经大学教授许建军和美国圣塔克拉拉大学教授蔡港树,也对这项研究提供了一些建议。

“审稿人都是从宏观视角给我们提意见,他们对整个领域的了解是非常透彻的,对我们帮助很大。”刘国良说。

对于论文最终被Science接收,刘国良坦言自己“又惊喜,又不惊喜”,因为这是自己组建实验室以来的第一篇Science,但他从不刻意追求在怎样的期刊上发表论文,而是一心希望解决研究中的问题。

Science论文

这种精神也影响着许振,“刘老师总是让我们去思考,为什么做这件事”。

在许振眼中,刘国良在科研上对自己和学生都有很高要求,哪怕是PPT上用什么字体、多大字号,以及文章的文体结构,刘国良都会提出改进意见,对于理解困难的学生,还会开小灶耐心讲解。

许振很喜欢组会上自由畅谈的氛围,这里不存在权威,学生们直接指出导师的问题,或质疑导师的观点都是常态。

“我非常鼓励学生们有批判性思维,不要迷信权威。”哪怕自己是对的,刘国良也希望有不同看法的学生经过独立思考敢于和他辩论,如果自己是错的,学生们能指出并解释出理由,这会让他非常开心。

许振说,从这个实验室走出去的学生,都有一个特点,只要看到一篇文章,就会先去质疑它,“包括我们自己的工作,比如刚发表的这篇Science论文,对于实现工业应用,就还有很多地方需要完善”。

许振(左)和刘国良(右)

全职回国研究:英雄找到用武之地

正如许振曾经的预料,这项研究,的确让他延期毕业了半年。

2022年,许振取得博士学位。惜才的刘国良希望这个和自己一样对科研有着纯粹和极致追求的年轻人能留下来,并为许振后面几年的研究做了很多铺垫工作。

“如果不是因为家人,我会再在刘老师的组内锻炼两年。”在外求学期间,至亲的离世,给了许振很大的打击,站在去留的分岔路口,许振选择了回国,回到家人身边。

作为家中的独子,许振是懂事的,也是“叛逆”的。

许振的父母都是金融行业的职工。与很多父母一样,他们都希望为孩子铺一条轻松一些的路。毕竟,辛苦和清贫,是不少人对做科研的刻板印象。

许振坦言自己是个“喜新厌旧”的人。他喜欢发挥想象力去思考,去找到新的发现,这正是科研给予他的享受。2016年,从山东师范大学毕业后,他只身前往美国求学。

许振

5年多的紧张科研,经常会让他感到压力。但许振总能找到疏解的方式,去美丽的黑堡走走,去美食街逛吃,或者每周去华人超市买上火锅底料和食材,嗨吃一顿。

如今,许振已经在西北工业大学开展博士后工作,对于进教学岗或者升职称,他并不着急,他希望再花些时间,把塑料变肥皂的研究彻底推向工业界。

“我们的工作需要正视之前研究的实用性,虽然已经研究了聚丙烯和聚乙烯回收的经济可行性,但我想让国内甚至全世界的工业界认识到我们方法的可行性。”许振说。

英雄不问出处,但一定有他一步步走来的路。正如论文上线那天,刘国良在微信朋友圈写道:“如今许振回到了国内工作,希望英雄找到用武之地,将他的才能发挥到极致。”

相关论文信息:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh0993

*本文图片均为受访者提供

 
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