文｜《中國科學報》記者孟凌霄
2024年11月6日早上6點半，陳宇軒像往常一樣準時起床。
他習慣性地打開郵箱，一封來自導師的郵件跳入眼簾——“Congrats！（祝賀！）”。看著論文終于被接收的好消息，陳宇軒長舒一口氣，心里懸著的石頭落地了。
這篇論文于今年2月20日正式在Nature發表。研究報告了鈣和鎂的離子交換反應，能將富含鈣鎂的硅酸鹽轉變為碳捕捉材料，將需要幾百年的固碳時間縮短至幾周到幾個月。一位工業界的審稿人評價：“該文提出的基于離子交換反應的碳吸收新途徑，將會對從空氣中吸收二氧化碳這一任務作出巨大貢獻。”
值得一提的是，這項研究的作者僅有兩位：“95后”陳宇軒和他的導師Matthew Kanan。
課題組合影（左一為陳宇軒）
在美國斯坦福大學讀博5年，這是陳宇軒發表的第一項獨立工作。讀博期間，他沒有回過一次中國。直到去年8月遞交最后一版修改送審，9月畢業論文答辯，他才第一時間買了回國的機票，跨越大半個地球回到父母身邊。
靈感來自“跨界”組會
這項研究直指人類最棘手的難題之一：如何高效捕捉大氣中的二氧化碳。
問題的答案不唯一，但陳宇軒找到了一種極簡潔的表達方式。
“如果我把方程式寫下來，可能就是一個中學生都能看懂的置換反應。”陳宇軒笑道，簡潔的方法背后，正是“跨界”組會帶來的靈感。
在斯坦福大學化學系教授Matthew Kanan課題組，有一個特別的傳統：課題組的主要方向是二氧化碳電還原和二氧化碳的熱化學轉化，但組內成員每隔一段時間，就需要自學其他領域的知識，并在組會上將所學內容分享給實驗室。這種跨界學習的模式鼓勵大家從其他學科中汲取靈感，開展跨學科的討論。
2023年年初的一次組會上，一位博士后介紹了水泥的傳統制造方法與電化學制造方法，詳細講解了通過石灰石和二氧化硅合成硅酸二鈣和硅酸三鈣的反應及其工藝流程。雖然這一議題與課題組的研究并無直接關系，但對于陳宇軒來說，這次報告卻激發了新的思路。
聽報告的過程中，陳宇軒突發奇想地問了自己一個問題：如果將水泥制造中的二氧化硅替換為硅酸鎂，鈣和鎂進行離子交換反應，那么得到的硅酸鈣和氧化鎂都能更快地從空氣中吸收二氧化碳，被困在硅酸鹽網絡中的鎂就會被釋放出來。
這不是陳宇軒第一次經歷科研靈感閃現時刻。但此前的數度，他在查閱文獻后，總會發現前人已經有過類似的研究。這一次則完全不同。當陳宇軒在文獻庫中搜索時，找不到任何相關資料，他心中的激動不言而喻。
當天下午，陳宇軒就沖進實驗室搭建反應裝置。實驗數據顯示，硅酸鎂的初步轉化效率高達60%～70%。第二天清晨，他便帶著初步結果，迫不及待地敲開導師的辦公室大門，興奮地分享自己的新發現。
經過短短半年的集中實驗，陳宇軒和導師成功驗證了這一方法的可行性。與自然界中硅酸鹽化學風化數百、上千年的時間相比，陳宇軒實驗中的碳捕捉材料僅需幾周到幾個月。
在實驗室環境下，這種新型碳捕捉材料在Kanan實驗室每周便能批量生產20公斤。對于工業級別的生產，只需現有的生產水泥的反應器，便能實現大規模應用。此外，這種碳捕捉材料還是一種優質硅肥，為技術工業化增添了附加值。
陳宇軒期待盡快將這個技術推向工業界實現實際應用。
陳宇軒發表的Nature論文
一位好導師的科研哲學
在陳宇軒看來，一位好導師不僅是學生科研生涯的領路人，更會潛移默化地改變學生思考問題的方式。
他的博士生導師Matthew Kanan，被外界親切地稱為“淡定哥”，因他發論文“在精不在多”。Matthew在讀博和做博后期間，在有機合成和電化學分解水兩個截然不同的領域，發表了一篇Nature和一篇Science論文。在尋找教職時，他只憑借3篇一作論文，便敲開了斯坦福的大門。
這種“重質不重量”和“挑戰新問題”的科研哲學，深刻影響著課題組的分工方式。
課題組內的研究方向高度分散。每個研究者都有自己專注的領域，且每個實驗的設計和測試都由研究者獨立完成。這使得他們的論文署名人數極少，通常僅有幾位作者，而工作量也相對較大。
“Matthew一直希望我們課題組在二氧化碳礦化這個方向能做出真正改變世界的科研成果。”陳宇軒說。
在2023年前，陳宇軒就發現了一些有趣的反應能夠提升硅酸鎂吸收二氧化碳的性能，但基于這些反應設想的技術路徑，面臨著轉化率低或者難以大規模生產利用的瓶頸。對此，導師總是耐心開導他：“你只是還沒碰到那個最好的解法。”他鼓勵陳宇軒保持實驗的節奏，耐心等待。
利用巖石吸收二氧化碳對于陳宇軒和Kanan課題組來說都是一個全新的挑戰。從2021年年初，陳宇軒開始在這一領域進行探索。項目開展期間，導師也用獨特的方式鼓勵陳宇軒。每次家庭郊游時，導師都會撿回各種各樣的石頭，因為這些石頭恰是實驗材料的來源。長時間以來，陳宇軒的實驗桌上總是堆滿了水晶、橄欖石和蛇紋石等“實驗用品”。
“在宇軒來實驗室前，我對石頭一竅不通。但如果你現在給我一塊石頭，我不是吹牛，我能立馬說出這塊石頭的名字。”在陳宇軒的博士論文答辯現場，導師笑著說。
博士畢業時，導師鼓勵陳宇軒跳出自己的研究領域，嘗試一些不同的方向。他建議陳宇軒將研究方向從無機化學和電化學轉向材料科學，激發交叉學科的思維。如今，陳宇軒在斯坦福大學材料科學與工程系教授崔屹的課題組從事博士后研究，拓展自己的科研邊界。
“如果有一天我也能成為教授，能夠帶學生，我希望做一個像Matthew一樣的好老師。”陳宇軒說。
2024年6月課題組聚餐（左二為陳宇軒）
回到“幸福終點站”
2024年10月，陳宇軒登上了回國的航班。這是5年來他第一次回家。
回國后，他特意回到母校南京大學，拜訪了他科研道路上的領路人——丁夢寧教授。陳宇軒回憶，自己本科時，丁老師剛回國。他的實驗室的大門始終敞開，鼓勵學生積極參加各類學術交流。“那時我就感受到了科研的魅力。”陳宇軒說道。
陳宇軒還特意打卡了家鄉南通新開通的地鐵2號線。2019年他離開時，南通還沒有地鐵，而如今，整座城市已經進入了“綠色出行”的時代，新能源車遍布街頭。他所搭乘的南通地鐵2號線，終點站正是名為“幸福”的站臺。
終點站名為“幸福”
從碳中和研究到家鄉的綠色出行，“可持續”的理念也貫穿陳宇軒的生活。他介紹，自己曾是一個典型的“夜貓子”，經常在實驗室工作到凌晨兩三點，第二天上午補個覺再繼續工作，但這種高強度的熬夜模式反而導致了效率低下。
如今，陳宇軒養成了“老年人作息”：每天早上6點半準時起床，晚上10點半到11點間入睡，確保有足夠的休息時間。雖然科研節奏緊張，但他依然保持隔天去健身房運動1小時的習慣。斯坦福大學所在地西靠太平洋，東臨落基山脈，沖浪、滑雪都是流行運動。
他堅信，這種科研與生活的平衡，讓他能夠走得更遠。
陳宇軒滑雪
相關論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08499-2
本文圖片均為受訪者提供
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