本刊记者  汲晓奇
　　
　　
　　在这个由原子组成的世界中，有一个特别的法则：只要有两个以上的原子组合在一起，它们的外围电子就一定要配对；如果不配对，它们就要去寻找另一个电子，使自己变成稳定的物质。这种有着未配对电子的原子或分子，就叫作自由基。自由基非常活跃，就像人类社会中的革命力量，它们除旧迎新，促进了自然界的新陈代谢。
　　20世纪70年代初，科学家们发现了大气自由基的存在。工业革命以来，随着人类科技的突飞猛进，化学制剂大量使用，汽车尾气和工业生产废气增加，大气自由基化学十分活跃。一方面，它们拼命去除着人类排放的废气；另一方面，这种自由基“代谢”反应又带来副产物——这些副产物具有较强的水溶性，在产量低时可以为干湿沉降过程所去除，是大气实现自我净化的必需品；但当它们产量高时，就表现出显著的人体毒性和辐射强迫作用，是促成区域二次污染和全球气候变化发生的关键机制之一。因此，研究大气中自由基的形成、化学反应及化学归宿，已成为大气化学的前沿领域，与环境污染防控、人类健康和气候变化息息相关。
　　举例来说，雾霾可谓是近年来的“网红”，北京人出门买菜都不忘先看看PM2.5的指数，一入冬经常满城尽戴白口罩。国内雾霾严重的现状促使各个学科的学者们贡献自己的力量，其中当然少不了“科班出身”的大气环境化学专业的研究者们，如北京大学“百人计划”研究员陆克定。“要治理雾霾，首先必须要弄清雾霾的成因。现在我们知道，所谓霾，其实是大气中的自由基在去除一次污染的过程中产生的二次污染。在治理雾霾的过程中，必须考虑开展基于大气自由基化学基本原理的区域污染调控策略。”他说。
　　

科学的热土在国内

　　每个人的心中都有梦想，梦中的征途或许是星辰大海，或许是静室花开。而陆克定无疑是前者。
　　本科时，就读于南京大学环境工程专业的他，主要研究水和土壤的污染。由于二者的流动性相对偏小，他大多时候是在实验室守着瓶瓶罐罐做实验，这并不符合陆克定的心理预期。他比较“好动”，不喜欢固守实验室，而是青睐于辽阔的研究环境。比起相对局地的水和土壤研究，他更感兴趣的是更大尺度层面的问题，比如最小尺度也是一个城市群的大气环境研究。“大气问题探索中常用的外场观测研究是一种极具魅力的研究手段，各种尖端科技设备在这里围绕特定科学问题的探索，各司其职、相互配合，演奏出壮丽的篇章。在观测期间，不管是目睹先进设备运行运转，还是参与老中青科学家们的聚首和讨论，亦或是感受师生一家人的融洽，都很吸引我。”陆克定补充道。
　　如果说最初只是萌发了一种念头的话，那么在与南大的一些指导老师交流，被推荐阅读了唐孝炎院士编著的《大气环境化学》一书之后，陆克定已经对大气环境化学分外入迷了。2004年，他报考了北京大学环境科学专业的研究生，师从导师张远航，攻读博士学位。陆克定表示：“张老师是唐院士的学生，也是国内大气环境化学领域的领军人物，在和他讨论后，我把研究方向定为了大气环境化学皇冠上的明珠——大气自由基化学。”
　　大气环境化学是一个年轻的学科，大气自由基化学更是其中的前沿研究领域。工欲善其事，必先利其器。要想从事相关研究，首先得有配套设备。大气中的自由基活性很高，但浓度却很低，对其进行捕捉需要精度极高的仪器，而当时世界上只有四五个小组拥有这样的设备。通过国际合作，陆克定于2005年前往德国Juelich研究中心（Forschungszentrum Juelich），接触到了当时全世界最先进的设备，直接与这些尖端仪器的开发和数据分析人员交流，同时师从以严谨著称的德国导师，树立了“质量就是生命”的学术思想，在开阔眼界的同时，也丰富了学识，为以后的研究打下了坚实的基础。
　　最初到德国的时候，陆克定差点儿变身“迷弟”。在大气自由基化学领域，有一些引用率极高的论文，在同领域的研究者中有很高知名度。而此次在德国，陆克定看到了许多“活生生”的著名论文作者，能够与他们面对面直接交流，让他一时间激动不已。
　　但这还不是陆克定感触最深的，要说印象深刻，还得是在数理化和excel上的碰壁。
　　“在国内的时候，我听说欧美研究生的数理化水平仅相当于国内的高中生，结果去德国发现，人家的数理化比我们还好。当时心里就憋着一股气，正好Juelich位于德国西部与荷兰、比利时交界处，是个大农村，远离喧嚣，适合恶补功课。”陆克定笑着说，“那里的图书馆科技文献馆藏丰富，可以看最好的英文原版教材。当时就想着不能让外国人看笑话，废寝忘食地充实自己，慢慢地数理化的水平得到了很大提升。”
　　而说起excel，那又是一部辛酸史。在国内时，陆克定与大多数同事一样，使用excel来处理研究数据，去了Juelich时却发现，那里的研究人员都用编程来处理数据，效率奇高。他也跟着学，学的时候很痛苦，但是后续的好处却是实实在在的。陆克定说：“同样是这么多数据，如果用excel来处理，可能需要一年，因为其中许多东西都是重复劳动。如果用编程的话，可能最初几周编程序的时候很痛苦，但是一旦程序写好了就可以让它自己运行，可能总共就需要一个月。事实上待处理的数据越多，编程的优势就越明显，会使效率成倍提升。”
　　对于陆克定而言，这趟Juelich之行可谓收获满满。但是他心里清楚，Juelich只能作为充电的地方，科学的热土还是在国内。“能够留住人才的，只有事业。”陆克定认为，在大气自由基化学领域，国内的雾霾问题已成国际热点，这里是问题的发生地，还有着不输于国外的科研条件，有什么理由不回国发展呢？的确，从“出国潮”到“归国潮”，我国的科技发展有目共睹，回国建设也成为了新一轮的时髦之选。
　　2012年8月，陆克定入选“北京大学优秀青年人才引进计划”，并于当年9月入职北京大学环境科学与工程学院，受聘“百人计划”研究员，信心满满，扬帆起航。
　　

“氧化小能手”自由基

　　说起自由基和雾霾的关系，陆克定顿时打开了话匣子。
　　人类与自然界排放的一次大气污染物通过“氧化小能手”自由基的作用，经由大气氧化转变为高价态亲水化合物，进而经由干湿沉降回到地表，这是地球大气环境得以自净的基本原理。“如果一切顺利，我们排放的大气污染物完全能够依靠自由基，由大自然自净掉。问题在于，这个过程中发生了意外。”陆克定所说的“意外”，主要是因为一次污染物的排放强度过高，而自由基并不管这些，它还是将接触到的一次污染物都氧化了。这样一来，一次污染物的氧化速率远高于沉降通量，高价态亲水化合物的环境浓度开始积聚并达到人体毒性水平，最终表现为区域尺度上的二次污染问题，即“霾”。这些二次污染物不仅影响人类健康，对全球辐射收支也存在着各种直接或间接的影响，相关气候效应显著。因此，大气自由基化学作为大气氧化性的主要来源，是理解区域二次污染和全球气候变化等重大环境问题的理论基础。
　　在我国，伴随着国民经济的高速发展，在高强度排放和强氧化性的共同作用下，在京津冀、长三角和珠三角等超大城市群地区形成了高浓度一次污染物和高浓度二次污染物共存的复合污染大气环境。目前大气复合污染的表征工作已较为细致，然其形成机理尚待深入研究，这其中一个核心任务即是厘清大气复合污染状态下自由基化学机制。
　　回国以来，陆克定共承担了3项国家自然科学基金项目，1项总理基金攻关项目子课题，作为学术骨干参与了2项国家自然科学基金项目和1项中科院战略性先导专项等，从环境光谱学测量技术和城市地区大气自由基化学两个方向探索，致力于从化学的角度解读区域二次污染的形成机理，为区域二次污染防控提供科技支撑。
　　在环境光谱学测量技术方面，陆克定在北京大学—德国Juelich中心联合研究框架下，基于激光诱导荧光技术（简称LIF技术）建立了国内首套大气HOX自由基测量系统。新系统模块化地集成了一系列关键技术，包括激光单元、检测单元和标定单元等，在外场观测期间实现了系统的高效稳定运行。团队基于最新研究进展进行了改进，在OH测量单元上集成了化学滴定模块，在HO2测量单元上集成了NO调节模块，有效保证了上述两个参数外场测量准确度，在2015年HOX自由基国际研讨会上被列为目前全球8个LIF小组之一。
　　此外，团队还基于非相干宽带光腔增强吸收光谱技术（简称IBBCEAS技术），解决了测量过程中水汽吸收干扰，反射率和进样损失定标，光谱高精度反演，实现系统热稳定性等关键技术，建立了具有国际先进水平的环境大气NO3和N2O5的在线高精度测量系统；基于长光程液芯光纤吸收光谱技术（简称LOPAP技术）建立了国际先进的大气HONO测量系统。该系统集成最新液体传输和检测模块技术进展，采用动态零点技术，实现了大气HONO的高精准测量，搭建系统的检测限为10pptv，时间分辨率为3分钟，仪器不确定度为10%。
　　在上述核心技术成功研发的基础上，陆克定还结合北京大学大气化学研究团队已有测量设备，如太阳光谱光度计、高精度氮氧化物测量仪、基于在线色谱质谱的VOCs测量仪等，基于闭合实验思想，建立了具有国际先进水平的大气自由基化学外场观测研究平台，针对自由基的来源—转化—去除过程展开了系统观测研究。从2014年开始，他们在京津冀和珠三角区域的典型城市和郊区站点开展了系列大气自由基化学综合观测，现已成为全球大气自由基化学研究的主要团队之一。
　　我国有几大典型城市群，如京津冀、珠三角、长三角等。由于北京地区严重的雾霾，对其自由基的研究已经有了一定结果，但大多数相关研究还是以白天为主，陆克定在国家自然科学基金面上项目中对北京地区的夜间大气自由基进行了观测和模拟。
　　他还对珠三角地区的OH和HO2浓度水平进行了观测，发现其实际OH浓度远高于现有大气化学模式模拟值。在此基础上，在2016年开展的国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目“长三角大气氧化性：定量表征与化学机理开发”中，陆克定又对长三角地区展开了探索。“如果把京津冀、珠三角、长三角三大样本拿到，我们就能初步构建一个中国大气自由基化学反应机制，新机制相比起现有机制肯定会更为准确和全面。往远了想，在目前欧美开发的反应机制中集成中国的发现，就有希望发展一套真正在全球都适用的对流层化学反应机制。”
　　

学生培养中的纯中国制造

　　很多人提起自由基就色变，日常见到最多的当属护肤品宣传中的“抗氧化”用语，其实就是对抗“自由基”。对于人类来说，自由基的作用非常重要，在生命维持和细胞凋亡机制中扮演了重要角色。同样，它在大气中也是不可缺少的存在。
　　举例来说，20世纪20年代，科学家们合成了氟利昂。其化学性质稳定，不具有可燃性和毒性，进入身体也没有风险，被当时的人们认为是一个非常环保的发明，也因此被当作制冷剂、发泡剂和清洗剂，广泛用于家用电器、泡沫塑料、日用化学品、汽车、消防器材等领域。但是，正因为氟利昂完全惰性，自由基也拿它没办法。因此，它们可以在大气中存活数百年，其中大部分停留在对流层，一小部分升入平流层，并不断破坏臭氧分子，最终威胁到人类的安全。
　　陆克定说：“这也是我喜欢大气化学的原因——从宏观的大尺度角度来看待问题，不会被一叶障目。从小尺度来说，氟利昂的化学性质很好，但从大尺度来说，它却是要被淘汰掉的存在。”
　　从这个例子可以看出来，大气自由基的存在十分有必要，大多数时候，它可以将大气中的一次污染物自净，决定了每一个污染物的寿命。陆克定呼吁：“弄清楚这个，对于我们控制污染物非常重要。在治理雾霾的过程中，一定不能因噎废食，要避免干扰自由基正常发挥作用，否则后果将难以预测。”
　　作为一个留德进修的“海归”，陆克定的想法很“怪”——他不赞同自己的学生出国留学。乍听之下令人不解，听了他的解释才恍然大悟。“近代以来，我国每一代人都出去留学，之前几代还有情可原，毕竟当时国内的平台跟不上，但这种情况一直持续的话就有问题了——既然上一代人已经出国留学了，那么最先进的方法已经被他们带回了国内，为什么下一代依然要出国？难道我们这些有着‘海归’履历的大学教师真的教不好下一代学生吗？”陆克定自问到。中国的人才必须是纯粹的中国制造，只有这样才能形成我们的品牌和国际影响力。
　　正因为此，他有一个想法，就是所有的学生在学制内都纯本土化培养。他跟自己的学生说：“你一无所知地出国，就只是单纯地去学习；如果你在国内把该学的、能学的都学好了，学精了，带着成果和未解的问题出国，到国际上最尖端的地方去短期交流和交锋，互相取长补短，那个时候你感受到和学到的将截然不同。”目前看来，陆克定取得了初步的成功。他培养的博士生取得了国际一流的成果，在国际会议交流中赢得了国际上最先进研究团队的尊重。
　　对于自己的学生，陆克定十分有耐心。他知道，学生们刚踏入研究领域的时候都很茫然，这个时候要手把手地教，给他一个很确定的题目，教他一种很确定的方法，然后让他取得一点成功的喜悦，慢慢地来建立信心，好的开始就是成功的一半了。在陆克定那间不大的办公室里，除了他的办公桌，还摆着几张学生的桌子——学生们平时在那里学习，如果有问题，一扭头就能得到回答，这样的安排无疑会给予学生极大的安全感。
　　陆克定从不给学生贴标签，他认为“现在需要的都是复合型人才，没有哪个学生就是只适合做某一方面的研究”。他还会跟学生平等地讨论，探讨其长远的规划。很多时候，不谋全局，不足以谋一域，不谋万世，不足以谋一时，一个长远的、明确的规划对于学生的发展至关重要。
　　现在都说“不忘初心”，做环境科研的初心无疑是要探索环境问题形成背后的科学规律，为污染控制提供坚实的科技支撑，陆克定正谋划着提取所有关键环境问题背后所蕴藏的自由基化学原理，尝试用统一的方法来建立排放与二次污染形成的内在联系，最终形成最科学合理的污染防治策略。
　　他的研究起始于地面超级站中的HOx自由基观测实验，之后又逐渐扩展到大气化学反应机理的实验室研究，如今更是瞄准了观测中最难的航空测量研究和全谱系大气自由基化学机制的构建，以及相应先进研究成果的落地应用，在“复合型人才”的道路上越走越远。而在我国科研由跟跑、并跑向领跑转变的过程中，需要的就是这样的人才。这条向着星辰大海的征途，陆克定已渐入佳境。
　　
专家简介：
　　
　　陆克定，北京大学环境科学与工程学院“百人计划”研究员、博士生导师。主要研究方向为大气自由基化学，基于自由基及其关键前体物的直接观测和动力学模拟等研究手段，关注典型城市环境中大气自由基的来源和转化以及相应大气化学机理的研发，致力于从化学的角度解读区域二次污染的形成机理，为区域二次污染防控提供科技支撑。曾入选国家自然科学基金优秀青年科学基金（2015）、北京市科技新星（2015）、国家环境保护专业技术青年拔尖人才（2016）、“长江学者奖励计划”青年学者（2017），获得高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖（2017）等。