在這個(gè)由原子組成的世界中，有一個(gè)特別的法則：只要有兩個(gè)以上的原子組合在一起，它們的外圍電子就一定要配對(duì)：如果不配對(duì)，它們就要去尋找另一個(gè)電子，使自己變成穩(wěn)定的物質(zhì)。這種有著未配對(duì)電子的原子或分子，就叫作自由基。自由基非?；钴S，就像人類社會(huì)中的革命力量，它們除舊迎新，促進(jìn)了自然界的新陳代謝。

20世紀(jì)70年代初，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了大氣自由基的存在。工業(yè)革命以來(lái)，隨著人類科技的突飛猛進(jìn)，化學(xué)制劑大量使用，汽車尾氣和工業(yè)生產(chǎn)廢氣增加，大氣自由基化學(xué)十分活躍。一方面，它們拼命去除著人類排放的廢氣；另一方面，這種自由基“代謝”反應(yīng)又帶來(lái)副產(chǎn)物——這些副產(chǎn)物具有較強(qiáng)的水溶性，在產(chǎn)量低時(shí)可以為干濕沉降過(guò)程所去除，是大氣實(shí)現(xiàn)自我凈化的必需品：但當(dāng)它們產(chǎn)量高時(shí)，就表現(xiàn)出顯著的人體毒性和輻射強(qiáng)迫作用，是促成區(qū)域二次污染和全球氣候變化發(fā)生的關(guān)鍵機(jī)制之一。因此，研究大氣中自由基的形成、化學(xué)反應(yīng)及化學(xué)歸宿，已成為大氣化學(xué)的前沿領(lǐng)域，與環(huán)境污染防控、人類健康和氣候變化息息相關(guān)。

舉例來(lái)說(shuō)，霧霾可謂是近年來(lái)的“網(wǎng)紅”，北京人出門買菜都不忘先看看PM2.5的指數(shù)，一入冬經(jīng)常滿城盡戴白口罩。國(guó)內(nèi)霧霾嚴(yán)重的現(xiàn)狀促使各個(gè)學(xué)科的學(xué)者們貢獻(xiàn)自己的力量，其中當(dāng)然少不了“科班出身”的大氣環(huán)境化學(xué)專業(yè)的研究者們，如北京大學(xué)“百人計(jì)劃”研究員陸克定?！耙卫盱F霾，首先必須要弄清霧霾的成因?，F(xiàn)在我們知道，所謂霾，其實(shí)是大氣中的自由基在去除一次污染的過(guò)程中產(chǎn)生的二次污染。在治理霧霾的過(guò)程中，必須考慮開展基于大氣自由基化學(xué)基本原理的區(qū)域污染調(diào)控策略?！彼f(shuō)。

科學(xué)的熱土在國(guó)內(nèi)

每個(gè)人的心中都有夢(mèng)想，夢(mèng)中的征途或許是星辰大海，或許是靜室花開。而陸克定無(wú)疑是前者。

本科時(shí)，就讀于南京大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)的他，主要研究水和土壤的污染。由于二者的流動(dòng)性相對(duì)偏小，他大多時(shí)候是在實(shí)驗(yàn)室守著瓶瓶罐罐做實(shí)驗(yàn)，這并不符合陸克定的心理預(yù)期。他比較“好動(dòng)”，不喜歡固守實(shí)驗(yàn)室，而是青睞于遼闊的研究環(huán)境。比起相對(duì)局地的水和土壤研究，他更感興趣的是更大尺度層面的問(wèn)題，比如最小尺度也是一個(gè)城市群的大氣環(huán)境研究?！按髿鈫?wèn)題探索中常用的外場(chǎng)觀測(cè)研究是一種極具魅力的研究手段，各種尖端科技設(shè)備在這里圍繞特定科學(xué)問(wèn)題的探索，各司其職、相互配合，演奏出壯麗的篇章。在觀測(cè)期間，不管是目睹先進(jìn)設(shè)備運(yùn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，還是參與老中青科學(xué)家們的聚首和討論，亦或是感受師生一家人的融洽，都很吸引我?！标懣硕ㄑa(bǔ)充道。

如果說(shuō)最初只是萌發(fā)了一種念頭的話，那么在與南大的一些指導(dǎo)老師交流，被推薦閱讀了唐孝炎院士編著的《大氣環(huán)境化學(xué)》一書之后，陸克定已經(jīng)對(duì)大氣環(huán)境化學(xué)分外入迷了。2004年，他報(bào)考了北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)專業(yè)的研究生，師從導(dǎo)師張遠(yuǎn)航，攻讀博士學(xué)位。陸克定表示：“張老師是唐院士的學(xué)生，也是國(guó)內(nèi)大氣環(huán)境化學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，在和他討論后，我把研究方向定為了大氣環(huán)境化學(xué)皇冠上的明珠——大氣自由基化學(xué)。”

大氣環(huán)境化學(xué)是一個(gè)年輕的學(xué)科，大氣自由基化學(xué)更是其中的前沿研究領(lǐng)域。工欲善其事，必先利其器。要想從事相關(guān)研究，首先得有配套設(shè)備。大氣中的自由基活性很高，但濃度卻很低，對(duì)其進(jìn)行捕捉需要精度極高的儀器，而當(dāng)時(shí)世界上只有四五個(gè)小組擁有這樣的設(shè)備。通過(guò)國(guó)際合作，陸克定于2005年前往德國(guó)Juelich研究中心（Forschungszentrum Juelich），接觸到了當(dāng)時(shí)全世界最先進(jìn)的設(shè)備，直接與這些尖端儀器的開發(fā)和數(shù)據(jù)分析人員交流，同時(shí)師從以嚴(yán)謹(jǐn)著稱的德國(guó)導(dǎo)師，樹立了“質(zhì)量就是生命”的學(xué)術(shù)思想，在開闊眼界的同時(shí)，也豐富了學(xué)識(shí)，為以后的研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

最初到德國(guó)的時(shí)候，陸克定差點(diǎn)兒變身“迷弟”。在大氣自由基化學(xué)領(lǐng)域，有一些引用率極高的論文，在同領(lǐng)域的研究者中有很高知名度。而此次在德國(guó)，陸克定看到了許多“活生生”的著名論文作者，能夠與他們面對(duì)面直接交流，讓他一時(shí)間激動(dòng)不已。

但這還不是陸克定感觸最深的，要說(shuō)印象深刻，還得是在數(shù)理化和excel上的碰壁。

“在國(guó)內(nèi)的時(shí)候，我聽說(shuō)歐美研究生的數(shù)理化水平僅相當(dāng)于國(guó)內(nèi)的高中生，結(jié)果去德國(guó)發(fā)現(xiàn)，人家的數(shù)理化比我們還好。當(dāng)時(shí)心里就憋著一股氣，正好Juelich位于德國(guó)西部與荷蘭、比利時(shí)交界處，是個(gè)大農(nóng)村，遠(yuǎn)離喧囂，適合惡補(bǔ)功課。”陸克定笑著說(shuō)，“那里的圖書館科技文獻(xiàn)館藏豐富，可以看最好的英文原版教材。當(dāng)時(shí)就想著不能讓外國(guó)人看笑話，廢寢忘食地充實(shí)自己，慢慢地?cái)?shù)理化的水平得到了很大提升?！?/p>

而說(shuō)起excel，那又是一部辛酸史。在國(guó)內(nèi)時(shí)，陸克定與大多數(shù)同事一樣，使用excel來(lái)處理研究數(shù)據(jù)，去了Juelich時(shí)卻發(fā)現(xiàn)，那里的研究人員都用編程來(lái)處理數(shù)據(jù)，效率奇高。他也跟著學(xué)，學(xué)的時(shí)候很痛苦，但是后續(xù)的好處卻是實(shí)實(shí)在在的。陸克定說(shuō)：“同樣是這么多數(shù)據(jù)，如果用excel來(lái)處理，可能需要一年，因?yàn)槠渲性S多東西都是重復(fù)勞動(dòng)。如果用編程的話，可能最初幾周編程序的時(shí)候很痛苦，但是一旦程序?qū)懞昧司涂梢宰屗约哼\(yùn)行，可能總共就需要一個(gè)月。事實(shí)上待處理的數(shù)據(jù)越多，編程的優(yōu)勢(shì)就越明顯，會(huì)使效率成倍提升。”

對(duì)于陸克定而言，這趟Juelich之行可謂收獲滿滿。但是他心里清楚，Juelich只能作為充電的地方，科學(xué)的熱土還是在國(guó)內(nèi)。“能夠留住人才的，只有事業(yè)。”陸克定認(rèn)為，在大氣自由基化學(xué)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)的霧霾問(wèn)題已成國(guó)際熱點(diǎn)，這里是問(wèn)題的發(fā)生地，還有著不輸于國(guó)外的科研條件，有什么理由不回國(guó)發(fā)展呢？的確，從“出國(guó)潮”到“歸國(guó)潮”，我國(guó)的科技發(fā)展有目共睹，回國(guó)建設(shè)也成為了新一輪的時(shí)髦之選。

2012年8月，陸克定入選“北京大學(xué)優(yōu)秀青年人才引進(jìn)計(jì)劃”，并于當(dāng)年9月入職北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，受聘“百人計(jì)劃”研究員，信心滿滿，揚(yáng)帆起航。

“氧化小能手”自由基

說(shuō)起自由基和霧霾的關(guān)系，陸克定頓時(shí)打開了話匣子。

人類與自然界排放的一次大氣污染物通過(guò)“氧化小能手”自由基的作用，經(jīng)由大氣氧化轉(zhuǎn)變?yōu)楦邇r(jià)態(tài)親水化合物，進(jìn)而經(jīng)由干濕沉降回到地表，這是地球大氣環(huán)境得以自凈的基本原理?！叭绻磺许樌?，我們排放的大氣污染物完全能夠依靠自由基，由大自然自凈掉。問(wèn)題在于，這個(gè)過(guò)程中發(fā)生了意外?！标懣硕ㄋf(shuō)的“意外”，主要是因?yàn)橐淮挝廴疚锏呐欧艔?qiáng)度過(guò)高，而自由基并不管這些，它還是將接觸到的一次污染物都氧化了。這樣一來(lái)，一次污染物的氧化速率遠(yuǎn)高于沉降通量，高價(jià)態(tài)親水化合物的環(huán)境濃度開始積聚并達(dá)到人體毒性水平，最終表現(xiàn)為區(qū)域尺度上的二次污染問(wèn)題，即“霾”。這些二次污染物不僅影響人類健康，對(duì)全球輻射收支也存在著各種直接或間接的影響，相關(guān)氣候效應(yīng)顯著。因此，大氣自由基化學(xué)作為大氣氧化性的主要來(lái)源，是理解區(qū)域二次污染和全球氣候變化等重大環(huán)境問(wèn)題的理論基礎(chǔ)。

在我國(guó)，伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，在高強(qiáng)度排放和強(qiáng)氧化性的共同作用下，在京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角等超大城市群地區(qū)形成了高濃度一次污染物和高濃度二次污染物共存的復(fù)合污染大氣環(huán)境。目前大氣復(fù)合污染的表征工作已較為細(xì)致，然其形成機(jī)理尚待深入研究，這其中一個(gè)核心任務(wù)即是厘清大氣復(fù)合污染狀態(tài)下自由基化學(xué)機(jī)制。

回國(guó)以來(lái)，陸克定共承擔(dān)了3項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，1項(xiàng)總理基金攻關(guān)項(xiàng)目子課題，作為學(xué)術(shù)骨干參與了2項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和1項(xiàng)中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)等，從環(huán)境光譜學(xué)測(cè)量技術(shù)和城市地區(qū)大氣自由基化學(xué)兩個(gè)方向探索，致力于從化學(xué)的角度解讀區(qū)域二次污染的形成機(jī)理，為區(qū)域二次污染防控提供科技支撐。

在環(huán)境光譜學(xué)測(cè)量技術(shù)方面，陸克定在北京大學(xué)-德國(guó)Juelich中心聯(lián)合研究框架下，基于激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（簡(jiǎn)稱LIF技術(shù)）建立了國(guó)內(nèi)首套大氣HOx自由基測(cè)量系統(tǒng)。新系統(tǒng)模塊化地集成了一系列關(guān)鍵技術(shù)，包括激光單元、檢測(cè)單元和標(biāo)定單元等，在外場(chǎng)觀測(cè)期間實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。團(tuán)隊(duì)基于最新研究進(jìn)展進(jìn)行了改進(jìn)，在OH測(cè)量單元上集成了化學(xué)滴定模塊，在HO2測(cè)量單元上集成了NO調(diào)節(jié)模塊，有效保證了上述兩個(gè)參數(shù)外場(chǎng)測(cè)量準(zhǔn)確度，在2015年HOx自由基國(guó)際研討會(huì)上被列為目前全球8個(gè)LIF小組之一。

此外，團(tuán)隊(duì)還基于非相干寬帶光腔增強(qiáng)吸收光譜技術(shù)（簡(jiǎn)稱IBBCEAS技術(shù)），解決了測(cè)量過(guò)程中水汽吸收干擾，反射率和進(jìn)樣損失定標(biāo)，光譜高精度反演，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)熱穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)，建立了具有國(guó)際先進(jìn)水平的環(huán)境大氣NO3和N2O5的在線高精度測(cè)量系統(tǒng)；基于長(zhǎng)光程液芯光纖吸收光譜技術(shù)（簡(jiǎn)稱LOPAP技術(shù)）建立了國(guó)際先進(jìn)的大氣HONO測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成最新液體傳輸和檢測(cè)模塊技術(shù)進(jìn)展，采用動(dòng)態(tài)零點(diǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大氣HONO的高精準(zhǔn)測(cè)量，搭建系統(tǒng)的檢測(cè)限為10pptv，時(shí)間分辨率為3分鐘，儀器不確定度為10%。

在上述核心技術(shù)成功研發(fā)的基礎(chǔ)上，陸克定還結(jié)合北京大學(xué)大氣化學(xué)研究團(tuán)隊(duì)已有測(cè)量設(shè)備，如太陽(yáng)光譜光度計(jì)、高精度氮氧化物測(cè)量?jī)x、基于在線色譜質(zhì)譜的VOCs測(cè)量?jī)x等，基于閉合實(shí)驗(yàn)思想，建立了具有國(guó)際先進(jìn)水平的大氣自由基化學(xué)外場(chǎng)觀測(cè)研究平臺(tái)，針對(duì)自由基的來(lái)源一轉(zhuǎn)化一去除過(guò)程展開了系統(tǒng)觀測(cè)研究。從2014年開始，他們?cè)诰┙蚣胶椭槿菂^(qū)域的典型城市和郊區(qū)站點(diǎn)開展了系列大氣自由基化學(xué)綜合觀測(cè)，現(xiàn)已成為全球大氣自由基化學(xué)研究的主要團(tuán)隊(duì)之一。

我國(guó)有幾大典型城市群，如京津冀、珠三角、長(zhǎng)三角等。由于北京地區(qū)嚴(yán)重的霧霾，對(duì)其自由基的研究已經(jīng)有了一定結(jié)果，但大多數(shù)相關(guān)研究還是以白天為主，陸克定在國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目中對(duì)北京地區(qū)的夜間大氣自由基進(jìn)行了觀測(cè)和模擬。

他還對(duì)珠三角地區(qū)的OH和HO2濃度水平進(jìn)行了觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)其實(shí)際OH濃度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有大氣化學(xué)模式模擬值。在此基礎(chǔ)上，在2016年開展的國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃重點(diǎn)支持項(xiàng)目“長(zhǎng)三角大氣氧化性：定量表征與化學(xué)機(jī)理開發(fā)”中，陸克定又對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)展開了探索?！叭绻丫┙蚣?、珠三角、長(zhǎng)三角三大樣本拿到，我們就能初步構(gòu)建一個(gè)中國(guó)大氣自由基化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，新機(jī)制相比起現(xiàn)有機(jī)制肯定會(huì)更為準(zhǔn)確和全面。往遠(yuǎn)了想，在目前歐美開發(fā)的反應(yīng)機(jī)制中集成中國(guó)的發(fā)現(xiàn)，就有希望發(fā)展一套真正在全球都適用的對(duì)流層化學(xué)反應(yīng)機(jī)制。”

學(xué)生培養(yǎng)中的純中國(guó)制造

很多人提起自由基就色變，日常見到最多的當(dāng)屬護(hù)膚品宣傳中的“抗氧化”用語(yǔ)，其實(shí)就是對(duì)抗“自由基”。對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，自由基的作用非常重要，在生命維持和細(xì)胞凋亡機(jī)制中扮演了重要角色。同樣，它在大氣中也是不可缺少的存在。

舉例來(lái)說(shuō)，20世紀(jì)20年代，科學(xué)家們合成了氟利昂。其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不具有可燃性和毒性，進(jìn)入身體也沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)，被當(dāng)時(shí)的人們認(rèn)為是一個(gè)非常環(huán)保的發(fā)明，也因此被當(dāng)作制冷劑、發(fā)泡劑和清洗劑，廣泛用于家用電器、泡沫塑料、日用化學(xué)品、汽車、消防器材等領(lǐng)域。但是，正因?yàn)榉和耆栊?，自由基也拿它沒(méi)辦法。因此，它們可以在大氣中存活數(shù)百年，其中大部分停留在對(duì)流層，一小部分升入平流層，并不斷破壞臭氧分子，最終威脅到人類的安全。

陸克定說(shuō)：“這也是我喜歡大氣化學(xué)的原因——從宏觀的大尺度角度來(lái)看待問(wèn)題，不會(huì)被一葉障目。從小尺度來(lái)說(shuō)，氟利昂的化學(xué)性質(zhì)很好，但從大尺度來(lái)說(shuō)，它卻是要被淘汰掉的存在。”

從這個(gè)例子可以看出來(lái)，大氣自由基的存在十分有必要，大多數(shù)時(shí)候，它可以將大氣中的一次污染物自凈，決定了每一個(gè)污染物的壽命。陸克定呼吁：“弄清楚這個(gè)，對(duì)于我們控制污染物非常重要。在治理霧霾的過(guò)程中，一定不能因噎廢食，要避免干擾自由基正常發(fā)揮作用，否則后果將難以預(yù)測(cè)?！?/p>

作為一個(gè)留德進(jìn)修的“海歸”，陸克定的想法很“怪”——他不贊同自己的學(xué)生出國(guó)留學(xué)。乍聽之下令人不解，聽了他的解釋才恍然大悟。“近代以來(lái)，我國(guó)每一代人都出去留學(xué)，之前幾代還有情可原，畢竟當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的平臺(tái)跟不上，但這種情況一直持續(xù)的話就有問(wèn)題了——既然上一代人已經(jīng)出國(guó)留學(xué)了，那么最先進(jìn)的方法已經(jīng)被他們帶回了國(guó)內(nèi)，為什么下一代依然要出國(guó)？難道我們這些有著‘海歸’履歷的大學(xué)教師真的教不好下一代學(xué)生嗎？”陸克定自問(wèn)到。中國(guó)的人才必須是純粹的中國(guó)制造，只有這樣才能形成我們的品牌和國(guó)際影響力。

正因?yàn)榇?，他有一個(gè)想法，就是所有的學(xué)生在學(xué)制內(nèi)都純本土化培養(yǎng)。他跟自己的學(xué)生說(shuō)：“你一無(wú)所知地出國(guó)，就只是單純地去學(xué)習(xí)：如果你在國(guó)內(nèi)把該學(xué)的、能學(xué)的都學(xué)好了，學(xué)精了，帶著成果和未解的問(wèn)題出國(guó)，到國(guó)際上最尖端的地方去短期交流和交鋒，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，那個(gè)時(shí)候你感受到和學(xué)到的將截然不同?！蹦壳翱磥?lái)，陸克定取得了初步的成功。他培養(yǎng)的博士生取得了國(guó)際一流的成果，在國(guó)際會(huì)議交流中贏得了國(guó)際上最先進(jìn)研究團(tuán)隊(duì)的尊重。

對(duì)于自己的學(xué)生，陸克定十分有耐心。他知道，學(xué)生們剛踏入研究領(lǐng)域的時(shí)候都很茫然，這個(gè)時(shí)候要手把手地教，給他一個(gè)很確定的題目，教他一種很確定的方法，然后讓他取得一點(diǎn)成功的喜悅，慢慢地來(lái)建立信心，好的開始就是成功的一半了。在陸克定那間不大的辦公室里，除了他的辦公桌，還擺著幾張學(xué)生的桌子——學(xué)生們平時(shí)在那里學(xué)習(xí)，如果有問(wèn)題，一扭頭就能得到回答，這樣的安排無(wú)疑會(huì)給予學(xué)生極大的安全感。

陸克定從不給學(xué)生貼標(biāo)簽，他認(rèn)為“現(xiàn)在需要的都是復(fù)合型人才，沒(méi)有哪個(gè)學(xué)生就是只適合做某一方面的研究”。他還會(huì)跟學(xué)生平等地討論，探討其長(zhǎng)遠(yuǎn)的規(guī)劃。很多時(shí)候，不謀全局，不足以謀一域，不謀萬(wàn)世，不足以謀一時(shí)，一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的、明確的規(guī)劃對(duì)于學(xué)生的發(fā)展至關(guān)重要。

現(xiàn)在都說(shuō)“不忘初心”，做環(huán)境科研的初心無(wú)疑是要探索環(huán)境問(wèn)題形成背后的科學(xué)規(guī)律，為污染控制提供堅(jiān)實(shí)的科技支撐，陸克定正謀劃著提取所有關(guān)鍵環(huán)境問(wèn)題背后所蘊(yùn)藏的自由基化學(xué)原理，嘗試用統(tǒng)一的方法來(lái)建立排放與二次污染形成的內(nèi)在聯(lián)系，最終形成最科學(xué)合理的污染防治策略。

他的研究起始于地面超級(jí)站中的HOx自由基觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，之后又逐漸擴(kuò)展到大氣化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的實(shí)驗(yàn)室研究，如今更是瞄準(zhǔn)了觀測(cè)中最難的航空測(cè)量研究和全譜系大氣自由基化學(xué)機(jī)制的構(gòu)建，以及相應(yīng)先進(jìn)研究成果的落地應(yīng)用，在“復(fù)合型人才”的道路上越走越遠(yuǎn)。而在我國(guó)科研由跟跑、并跑向領(lǐng)跑轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，需要的就是這樣的人才。這條向著星辰大海的征途，陸克定已漸入佳境。