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织一张吸附PM2.5的网
2017-02-20 07:40:50 来源: 科技日报
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  最近找王博的人很多。外界的密集关注,源于本月初《自然》的一篇报道:北京理工大学王博教授团队,将金属有机骨架化合物(MOFs)用于空气过滤净化。经实验室检测,室温下,该材料对PM2.5的滤出率可以达到99.5%。

  新的净化材料!而且,它不只是一项实验室研究。王博透露,今年就会有应用这种材料的产品问世。

  吸住、扒开、分离 分子海绵这样对付PM2.5

  MOF究竟是什么?

  王博从最基础的概念讲起。他打开电脑,调出一幅幅MOF的结构图,尽量用通俗语言解释这种材料的特性。此时,你开始理解,为何“80后”教授王博常年能在学生的教学评价上拿到高分,即使从不点名,他的课堂有时还能爆满。

  MOF全称为Metal—Organic Framework, 是一大类新型无机材料与有机高分子单体的原子级别复合物。宏观世界的框架,离不开“中心点”以及通过中心点连接的“梁”。微观世界,同样如此。各种无机金属离子或团簇与有机分子直接聚合,结成三维的有序的网络框架结构。这类材料具有发达的纳米级孔道,以一个MOF材料为例,其孔道为1.12纳米。

  可以想象一下,MOFs织成一张立体的网,网上布满了密密麻麻的微小孔洞,科研人员精心调整它的尺寸、形状或者结构,以筛分不同类型的分子。这些微观框架的“梁”上,可以加上不同性质的官能团。比如,若带上碱性官能团,它就能更“大力”地把酸性气体“拽”进来。

  MOF的一大优势,是比表面积大。以其中的一类MOF材料为例,1克这种材料如果内表面全部展开,可以铺展到8000平方米,覆盖一个标准足球场。比表面积大,意味着材料的孔多;孔多,能吸附的气体也就多,因此,人们也管MOF叫分子海绵,用它来储存气体。

  这一次,王博用他研究了13年的MOF对付PM2.5。

  PM2.5成分复杂,它实际上是一种气溶胶,含有液体、挥发性有机化合物(VOC),以及固体,这恰好给了新型的MOF膜(MOFilter)发挥作用的机会。王博团队研发的这种新型材料,会先用MOFilter的自身静电荷捕捉PM2.5,碱性官能团将助攻液体分子及VOC掉进孔洞。这样一来,留在材料表面的,就是失去了“队友”的PM2.5中的固体,拿水即可清理。

  北京理工大学良乡校区王博团队实验室的一扇纱窗上,就“长”着这层特殊的膜。它透气也透光,用了一年多了,仍有上佳的过滤表现。

  都是命运最好的安排

  用MOF过滤PM2.5,其实来自妻子的提议。她对王博说,孩子老咳嗽,能不能研究下怎么净化雾霾?

  不过,这并不是一段用“灵光乍现”可以概括的科研经历。

  回首自己的学术之路,王博文艺了一把:一切都是命运最好的安排。

  他曾想当诗人,后来想当物理学家。误打误撞被保送进北大化学与分子工程学院后,他还一门心思想着转系,直到他终于在实验室发现了化学之美。

  “我曾经最讨厌英语和化学。谁能想到呢,现在是要说着英语做化学。” 王博笑着说。

  2004年,王博从北京大学化学专业本科毕业,就跟了MOF领域的大牛Omar M. Yaghi做研究。硕士期间,导师给王博的任务就是——用MOF材料,将空气中的二氧化碳筛分出来。

  他做到了。

  导师给予盛赞:王博在创造历史,他是个天才。因为这些评价,硕士毕业本打算去往工业界的王博,“热血沸腾”,决定继续攀学术的高峰。

  从某种意义上来说,Yaghi是位魔鬼导师。他单身,不过任何节日,将全部精力放在学术上。王博记得,有一次自己要过生日,朋友已订好了地方开party。当天凌晨三点,导师一个电话过来,说他有个特别好的想法,要跟王博讨论。“我说,现在是凌晨三点。导师说:So?”王博无奈,跟导师约了白天详聊。结果,他们俩在从早上8点聊到了晚上7点,“全程没有吃饭”。

  其实,在选择Yaghi之前,王博就已打探到,这位老师以对学生要求严格著称。“当时想,要是念书是去享受的,干脆别念。累一点,但值得。”

  博士提前毕业,王博打算投身学术界,又被导师拉住。Yaghi说,一位学者论文能触达的范围有限。“但如果你的东西能去往工业界,研究变成产品,就可以让每个人的生活好那么一点点。”

  于是,王博去了工业界,参与了MOF材料的大批量生产。不过,他在工业界并没有呆太久。为了追求更自由的科研,王博还是做起了学术,选了北京理工大学,以“千人计划”青年专家的身份回国。

  但工业界的经历并没有浪费。它提醒王博,在做科研时要考虑性价比。“尽量用简单手段解决复杂问题。越简单的方法,越美。”王博想法很明确:成本得低,否则老百姓怎么用?

  王博反复表示,科研不是“炫技”,要解决真问题。

  他正在这么做。

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【纠错】 责任编辑: 廖威
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