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唐明金:鹏程万里应风起 万千气象渐尽晰
——中国科学院广州地球化学研究所研究员

作者:本刊记者 汲晓奇  来源:科学中国人  发布时间:2018-04-04

导读:  唐明金,研究员,博士生导师,1984年出生于江西省宜黄县。2005年和2008年先后毕业于北京大学并获得学士和硕士学位,期间由陶澍教授(中国科学院院士)和朱彤教授先后指导。2011年在德国马普化学所及美因茨大学获得博士学位,随后在德国马普化学所、英国剑桥大学和美国爱荷华大学从事博士后研究。2016年8月入选中国科学院“百人计划”并全职在中国科学院广州地球化学研究所工作。   长期从事大气气溶胶颗粒物的形成和转化机理、大气非均相化学反应、化学反应对颗粒物理化性质的影响以及云的微观形成过程等研究。承担了包括“矿质颗粒物对硫酸盐形成的促进效应及可溶性过渡金属的作用:实验室基础研究”“气溶胶颗粒物与云的相互作用及颗粒物化学成分的影响”等多项国家自然基金、中科院合作局对外重点项目。至今已在Chemical Reviews、Atmospheric Chemistry and Physics、Geophysical Research Letters、Physical Chemistry Chemical Physics等国际一流SCI期刊上共发表论文24篇,第一作者/通讯作者14篇,SCI总引

 
  如果说应风而起需要一个幸运的契机,行程万里靠的则是实打实的能力。虽把最初对环境科学的学习称之为“误打误撞”,但而后,唐明金却对大气气溶胶的化学机理研究着了迷。
  2004年,与大多数对应用型、新兴产业类学科表现得颇有兴趣,而面向基础性、微观知识专业意兴阑珊的专业学者不一样,唐明金偏偏反其道而行之。在第一次与“物理化学”研究打了照面后,他便语出惊人、斩钉截铁:“我要研究化学反应。”“砍柴尚未磨刀,行舟还未造筏”,这恐怕是对他当时处境的最好描述。研究化学反应,从微观重新认识世界,也意味着从零开始,要从地基打起。单凭着一股韧劲、一腔赤诚可以走多远?事实证明,这仅仅取决于想要走多远。
  科研生涯细数已12载有余,如今褪去年少的青涩,唐明金身上多了一份沉稳。再回首,他说,当时并非冲动、追求独树一帜,只是选择了最适合自己的思考方式,同样也是想在时间和空间尺度相对较小的领域做一些具有说服力的事情。初心不改,在踏上更远的征程时,他已有所筹划、有所准备,“我希望通过研究沙尘颗粒物的化学反应,做出重大原创性成果,让我的研究组能够在物理化学性质方面成为国际上具有竞争力的研究组之一。”
  

邂逅大气中的化学反应


  不可否认,在环境污染日趋严重的今天,每一个警示都会给人们带来一阵颤栗。世界卫生组织下属的国际癌症研究机构曾明确指出,大气污染是人类致癌的重要因素之一,其主要成分颗粒更是癌症的罪魁祸首。肺癌、膀胱癌、呼吸系统疾病以及心脏病等多种病症正在以爆炸性的增长向人类逼近,究竟该拿什么拯救我们赖以生存的大气环境?
  与大气环境打交道多年,唐明金给出一番解释:“气溶胶颗粒是大气环境的主要污染物之一,也就是人们常说的PM2.5。它是悬浮在空气中的固体或液体颗粒物,来源十分广泛,与人们的生产生活息息相关。”据他介绍,传统气溶胶颗粒物可分为两种:一次颗粒物和二次颗粒物。顾名思义,一次颗粒物为直接排放的大气颗粒物,包括沙尘颗粒、道路扬尘和黑炭等。二次颗粒物则是在大气中经过化学反应而生成的颗粒物,比如二氧化硫、氮氧化物和挥发性有机物等痕量气体,其蒸气压相对较低,会像水蒸气一般在大气中停留两周左右,而正是这段时间让它们充分与沙尘颗粒物产生接触,从而触发进一步的化学反应,生成新物质。
  “我的工作主要是从微观上认识化学反应,探究气体浓度、颗粒物的化学成分及其性质的变化规律。”不管是对环境、气候还是人体健康,大气污染物的影响都不可小觑。而研究颗粒物成分在大气中的动态变化,查明它在有限的生命周期内的活动秩序,相当于在源头上扼杀了新物质产生的可能,为杜绝生态系统的恶性循环现象,提供了一定的理论技术支撑。
  

栉风沐雨科研路


  从2004年着手微观化学反应研究之后,唐明金多方辗转,北京大学是他科研旅途的第一站,陶澍院士和朱彤教授是他的第一任启蒙导师。在德国马普化学所及美因茨大学获得博士学位之后,他又奔赴英国剑桥大学和美国爱荷华大学展开博士后研究。直至2016年8月,在中国科学院“百人计划”的牵引下,他最终将脚步驻足在广州地球化学研究所。
  “回首向来萧瑟处,也无风雨也无晴。”不管走到哪里,大气化学反应、气溶胶颗粒的研究总是与他分不开的。这是科研的初衷,也是他对研究不容置疑的态度和坚持。在海外的8年时间里,面对大气环境中气溶胶颗粒来源与成分的复杂,各种化学反应物质之间的混合交错,唐明金立足于实验室基础研究,尝试运用化学视角去探求,采取基本原理的形式阐释大气问题。在结合外场观测和数值模拟的过程中,他在气溶胶颗粒物多相化学反应和理化性质等领域取得了一系列重要科研成果。
  若要在大气中进行多相化学反应,气体分子向颗粒物的扩散是必不可少的第一步。基于此点,唐明金选取了近200种痕量气体,首次全面总结并系统分析了它们在不同温度下的气相扩散系数,为如何准确估算气体扩散对多相化学反应影响的难题提供了精准、彻底的解决办法。与此同时,在深入研究过程中,他率先提出了一种估算气体扩散对多相化学反应影响的新方法,之于传统方法,该发现极大地降低了多相化学反应数值模拟的计算复杂程度,化繁为简的同时,准确地提升了研究效率。成果一经发表,不但在大气化学领域产生了重大反响,也引起了表面化学和催化工程等领域的广泛关注。
  N2O5与NO3自由基一直以来是唐明金的研究重心所在。它们与多种矿物质沙尘颗粒物有着怎样的化学反应,其微观反应速率及反应能力如何,成为萦绕在他心头已久的问题。“沙尘矿物颗粒的种类繁多,囊括了像碳酸钙、二氧化硅、黏土矿物质等多种大气颗粒物,它们与氮氧化物产生的反应也是形式各色,甚至有些反应机制还尚未明晰。”越是艰险的高峰越能激发征服的斗志,越是刁钻的难题越能引发唐明金浓厚的兴趣。在开展N2O5与多种矿质颗粒物研究工作之际,他在分子水平上深入阐明了该反应机理,其存在的两种相互竞争的反应机制,以及实际大气条件下由乙酸与矿质颗粒物反应在颗粒物表面生成的乙酸二聚体也在他的证明下被世人熟知。
  但对于唐明金来说,这些还远远不够,他探查的绝不只是大气微观反应机制的冰山一角。大气氧化性是地球大气圈的关键性质,一次污染的降解、二次污染物的产生都要受到它的控制。“气溶胶颗粒物与痕量气体的多相化学反应会直接或间接改变气体浓度,从而影响大气氧化能力,这也将直接关系到我国臭氧和PM2.5污染造成的空气质量问题。”针对一系列多发性反应,他第一次精准地测定出矿质颗粒物与NO3、N2O5等痕量气体多相化学反应的速率常数,其结果被国际纯粹与应用化学联合会推荐为国际标准,并被大气化学模式及气候模式泛化使用。
  除此之外,得益于上述研究基础的铺垫,在更深层次地探讨矿质颗粒物的多相化学反应对大气环境的影响时,以唐明金为第一作者,联合了北京大学张远航院士、朱彤教授,南京大学丁爱军教授以及中国科学院化学所葛茂发教授等国内著名专家,一篇题为“Heterogeneous reactions of mineral dust aerosol: implications for tropospheric oxidation capacity ”的论文在Atmospheric Chemistryand Physics上发表。该论文新颖的思维理念,创造性的实验观点将有望在空气污染与大气化学等研究领域引发热切讨论。
  

聚焦小范围,誓做原创黑马


  放眼国际,大气环境之中的气体化学反应研究人员实在不乏佼佼者。想要推陈出新,另辟蹊径似乎是一项不错的选择。对唐明金而言,不论是大气气体化学反应,还是大气化学反应对气体造成性质、浓度的影响,如今都没有研究颗粒物本身带来的乐趣更具吸引力。
  同时,站在一个科研工作者的角度,他明白研究创新是发展源泉,“抛开科研的领域限制,我们太过于追逐别人的脚步,在前人的基础上做了大量的修葺工作,却难能有引领行业的原创性成果。科学思想、科学手段亟需突破,切合国情、符合实际环境问题的研究需要涌现。”唐明金如是说道。
  国内外教育模式、科研环境的差异,加之深受各国文化氛围的熏陶,唐明金的目光自然无法拘泥于一片狭窄。“国内外的科研经历让我受益颇多,不仅是学术能力、对仪器熟悉度的提升,更有一种为人处事的意识在里边。”他严于律己,强调让反省自身成为一种常态。他表示,建立在反省中的使命感,并非是受到利益的驱使,而更像是出于一种道德感、责任感。“既然选择做一件事,就该抛下得过且过的态度,投入百分之百的耐心。”
  于是,在2016年国家自然基金重大项目研究中,唐明金抓住了他回国之后的第一个机会。“硫酸盐是我国大气颗粒物的重要组成部分,而SO2与矿质颗粒物的非均相反应极有可能是硫酸盐形成的重要途径。但目前来讲,大气中SO2与硫酸盐的形成机理很不完善,反应途径的认识也十分有限。”为此,他结合反应动力学与同位素示踪方法,系统研究SO2与矿质颗粒物的非均相反应及各种反应条件。尤其是针对可溶性过渡金属的影响,唐明金致力于从分子水平阐明机理,测定反应条件下的摄取系数,探索反应的硫同位素分馏效应。“我们会深化对大气中硫酸盐的科学认识,了解硫酸盐颗粒物在气候系统中的作用,最大限度地为我国PM2.5污染的治理、节能减排措施的实行提供可靠的理论依据。”
  在成功立项之后,唐明金主要围绕3个方向推进项目工作,即SO2与矿质颗粒物非均相反应的反应动力学和反应机理研究,同位素分馏效应研究,以及实验室研究结果参数化及大气化学意义估算。他表示,SO2与矿质反应物的非均相反应分子机理仍旧是横亘在眼前的重大难题,同时为解决上述提到的摄取系数、分馏效应等诸多问题,他将从矿物质的表征作为切入点,重点关注我国大气矿质颗粒物中常见的金属氧化物(Fe2O3和TiO2等)、粘土矿物(伊利石、高岭石和蒙脱石等)和实际沙尘颗粒物,使用先进的仪器设备、多种技术手段对颗粒物的矿物成分、晶格结构进行探析。
  之后,基于不同的矿质颗粒物,唐明金改变相对湿度、NO2浓度和臭氧浓度,进而引入光照、矿物组分等内容,阐明在不同种类物质的性质、成分及浓度下,SO2非均相氧化速率的动态变化趋势,为测定反应摄取系数缩小客观性误差。而面向硫酸盐和可溶性过渡金属元素分析、硫同位素分析及参数化结果,他则更加侧重于运用高精尖仪器开展液态扫描、色谱分析,采取大气寿命估算法,初步给定各种典型大气条件下,非均相反应在硫酸盐生成过程发挥的影响因数。
  唐明金说:“化学反应对颗粒物成分的影响与灰霾的爆发关系紧密,在自然氧化中,有已知的化学反应,也有未知的化学反应,沙尘颗粒物究竟对硫酸盐的形成有多大的贡献,这是我关注的重点。”
  

云卷云舒,一探究竟


  除了对颗粒物的持续性研究,云的形成微观机理也被唐明金纳入研究之列。大气颗粒物在怎样的条件下聚集成云或冰云?不同的颗粒物在成云的能力上有着怎样的变化?化学反应是否会改变颗粒物形成云的能力?又会如何改变?一系列问题接连不断,研究工作紧张有序地被推上日程。
  “大气中水溶性差的氮、硫气体,会生成硝酸盐、硫酸盐,它们不仅会污染空气,也会催化云的形成。”唐明金做了进一步阐释,“气溶胶颗粒物通过作为云凝结核和冰核,影响云的形成、寿命和性质,继而影响地气系统的辐射和能量平衡以及降水的形成。目前关于气溶胶颗粒物与云相互作用的科学认识还非常有限,这已经成为制约准确理解地球气候系统和预测未来气候变化的瓶颈之一。”面对这种境况,他在展开多相化学反应研究之际,对反应中碳酸钙颗粒物云凝结核的活性变化进行记录,并观察到氮氧化物反应对活性因子的显著强化作用。
  入职广州地球化学研究所后,唐明金开发和完善了使用蒸气吸附分析仪研究大气颗粒物吸湿性的新方法,并于2016年受邀在国际高水平杂志Chemical Reviews上发表了关于矿质颗粒物多相化学反应以及理化性质研究的综述文章——Interactions of Water with Mineral Dust Aerosol: Water Adsorption, Hygroscopicity, Cloud Condensation and Ice Nucleation。文章总结性指出了矿质颗粒物的吸湿性、云凝结核活性及冰核活性受制于多相化学反应,为深入认识以矿质颗粒物为代表的气溶胶颗粒物与云相互作用的微观机制搭建了基础平台。
  2017年,依托中国科学院国际合作局对外合作重点项目规划,气溶胶颗粒物与云的相互作用、成分影响的研究成为唐明金的研究重心。展开其项目规划书,可以清楚地看到每一项研究内容的蓝图:针对合作内容,细化到沙尘颗粒物的惯有特性及反应影响,二次有机气溶胶颗粒物的性质与成分关联,以及不同类型颗粒物对云滴和冰晶形成的贡献、规律,唐明金做了明确的梳理工作,将拟解决问题、预期成果、交流合作意向付诸纸上,使即将迈出的每一步都清晰、精准。
  工欲善其事必先利其器。唐明金并不满足按部就班地将研究工作步步落实,研发、购置和改进大气冰核测量仪器项目方案也便应需而生。“现代冰核测量仪器的研制在我国还处于萌芽阶段,远远落后于国际先进水平。我们将自主研制具有独立知识产权的基于低温平台——光学显微镜的大气冰核测量仪器,建立和完善颗粒物冰核活性的测量方法,并将该仪器应用于研究对流层典型颗粒物的冰核活性以及大气非均相化学反应中。”唐明金表示,一旦仪器研究项目步入正轨,可以明确地说它带来的价值将会是大范围且长远性的。在测量我国不同地区实际大气中的冰核浓度,以揭示其时空变化规律和影响因素的实际应用中,这项工作无疑填补了我国在大气冰核研究领域的空白,为进一步揭示和阐明大气冰核形成的微观机制,量化气溶胶颗粒物对云的形成和性质、地球系统的辐射和能量平衡以及降水的形成等方面的影响提供理论支撑。
  

不倦专研,不懈教学


  在工作设想中,气溶胶颗粒物与关键营养元素的生物地球化学系统也是唐明金不可割舍的一部分。“气溶胶沉降是很多生态系统关键微量营养元素的重要来源。例如海洋生态系统中的铁与磷元素,它们经过化学反应生成可溶性物质,被海洋生物所利用,对生物地球化学循环造成一定程度的影响。”
  在此认识上,唐明金将带领团队结合外场观测和沉降贡献,测定各种来源的气溶胶颗粒物中关键营养元素的含量和水溶性,并深入研究大气多相化学反应对关键营养元素含量及水溶性的影响,进而阐明气溶胶颗粒物对关键营养元素生物地球化学循环和生态系统的作用。
  在人才培养层面,唐明金有一套“点到即止”的方法。“科学研究要把握好一个度,处于疲惫、消极的状态就应该适时停下来,否则错误和纰漏极有可能趁虚而入,到头来一切还是徒劳。”除此之外,在他看来,无需将科研看得太过神圣,让学生拥有一个成年人的思想去独立思考、解决问题是当前教学工作中有待加强的部分。
  唐明金说,倘若立足在时间、空间更广阔的尺度而言,研究工作所面临的困难只不过是有待解决的技术问题。当放下得失心,所有的焦躁与压力也就烟消云散。丢下累赘的思想包袱,唐明金在科研的征途上继续前行.......

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