供图/视觉中国
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本报记者任珊
从回国的那一年起，王博就开始研究金属有机框架材料MOF。他笑称，这是一场长达8年的“抗战”，而且还没有结束。
MOF的全称是Metal-OrganicFramework。MOF是一种多孔结晶材料,由有机骨架和金属离子组成，它可以通过静电吸附作用实现对大量细微颗粒物的捕获。据预测，MOF有望成为21世纪的决定性材料，其广泛应用将如同今天的塑料。
这8年王博所做的，就是为市民发明一种MOF膜，过滤PM2.5以及各种污染物。目前，他带领团队研发的完全自主知识产权高效能过滤材料已经产品化，在空气净化
科技之星
王博
北京理工大学前沿交叉科学研究院教授、执行院长，“北京青年五四奖章”获得者。他长期从事MOF材料研究，率领团队解决了环保领域若干“卡脖子”的关键技术难题，所研发的第二代MOF能过滤PM2.5、杀菌、分解臭氧，已被应用于空气净化器、新风系统等，为首都环保事业做出了贡献。
织一张能过滤空气的“网”
王博是北京理工大学前沿交叉科学研究院教授、执行院长，研究MOF这种净化空气新材料已经8年。
接触MOF，还要从他读书时说起。这个别人眼中的“学霸”，其实从小的理想是当一名物理学家，只因高考时“误打误撞”被免试保送至北京大学化学与分子工程学院。2004年王博本科毕业，前往国外学习。那时，第一代MOF已经工业化量产，用来储存氢气和天然气。王博便跟着导师研究第二代MOF——目的是用它吸附空气中的有毒有害气体。
“MOF的精准之处就在于它表面的孔特别多，甚至可以调控到零点几纳米一个孔。如果把里面的孔全部剖开，1克的材料能铺展8000平方米，可覆盖一整个足球场。”说起MOF，王博打开了话匣子，“也是利用这一点，可以把空气中有毒有害物质逐一捕捉出来，相当于织一张非常精密的纳米‘网’，把空气中气相的、液相的、固相的污染物‘一网打尽’。”
2008年，提前博士毕业的王博本想投身学术界，导师却劝他，“如果你的东西能去往工业界，变成产品，就可以让每个人的生活好那么一点点。”
就这样，王博去了一家企业，从事MOF材料的大批量生产。不过他并没有呆太久。“在国外工作时我经常会想，如果自己所取得的科研成果在国内进行转化应用，会不会给国家的发展注入一些新鲜的血液呢？”2011年，为了追求更自由的科研，王博放弃了企业的优厚待遇，到北京理工大学搞起了学术。
那时候，国内的空气质量不好，“雾霾锁城”的新闻经常出现在媒体上。有一段时间，王博两岁的女儿总咳嗽，老往医院跑，妻子还一度埋怨他，“你研究的东西就不能接点地气儿吗？”
同一年，王博参加了一个有关MOF材料的重大研究项目。在一次项目评审会上，一位专家指了指窗外问他：“这个材料对有毒有害气体的吸附能力很强，但普通老百姓(603883)一生中能有多大概率碰到沙林、芥子气等毒气呢？”
窗外，正是一个雾霾天，许多人戴着口罩匆匆而过。那时我国市场上防雾霾口罩和净化器中最核心的功能部件——高效空气过滤材料，几乎全部来自美国、日本等，国货寥寥无几。
“研究变成产品，就可以让每个人的生活好那么一点点。”王博再次想起了导师的那句话。
用电熨斗把MOF材料熨烫成膜
王博把目光瞄向了国内产能几乎为零的高效滤芯市场。
“雾霾早期呈弱酸性，本质上是固体颗粒、挥发性有机物、无机硫酸、硝酸盐和水。”王博说，这个挑战不小。以相对简单的空气各组分为例，二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等污染物只有百分之零点几，甚至十万分之几，怎么能从一堆气体里面把所要的分子抓出来？
为此，王博和团队成员一是通过MOF材料的孔来筛选，保证让比孔大的分子进不来，和孔的形状不一样的分子也进不来；二是在孔内修饰一些不同的官能团（决定有机化合物的化学性质的原子或原子团）。“举例来说，PM2.5是中性偏酸的，那我们就装一些偏碱的元素，酸碱一中和，吸附能力就很强。”这两点实现以后，王博和团队成员就解决了空气中有毒有害成分的吸附问题。
接着新的问题又来了。MOF的原本状态是粉末状的，而且易碎，难加工、难成型，有害气体不会那么“听话”，如果来不及被MOF吸附，就会通过颗粒之间的空隙被人体吸进去。
2014年底，课题组成员开会讨论：如何在不使用溶剂的情况下让原子、分子“手拉手”，不给有害颗粒留空隙？能不能通过施加压力和温度等物理手段来直接合成MOF材料，让它在基底材料上“长”成一层薄薄的膜？
“有没有一种东西，能给它加热又加压？”面对复杂的问题，王博用通俗的方式启发学生，“就是类似摊煎饼果子，你们回去想一想。”
寒假过后，课题组里一名大二学生来到王博面前，“王老师，我特意去看了煎饼摊，咱们可以试一试。”
“你的这个想法很大胆，但是我们总不能把一个煎饼摊摆在实验室吧，占地大，有安全风险。而且它质地粗糙，没法保证把MOF铺得均匀平整，无法从上方加压，加工精度必然不高。还有没有更加便携和方便操作的器材？”王博没有嘲笑这名学生，而是顺着他的思维，启发他继续探究更好的方法。
“电饼铛怎么样？不仅小，能把MOF均匀分散，还可以双向加压加热。”这名学生再次发挥了“吃货”精神。“那你就弄一个电饼铛吧，先试试看。”王博鼓励道。
至繁归于至简。学生们经过多次讨论，选择了另一个更为小巧、便宜、可控的工具——老式电熨斗，这完全符合平整、加热、加压这些实验要求。大家经过不断尝试，终于成功地将MOF材料在铝箔、布匹、玻璃和金属网等各种基底上熨烫成膜，精细度甚至达到一根丝上可以粘附50纳米MOF材料，如此一来，薄膜就像“长”在基底上，附着坚固，打磨不掉。
对PM2.5滤除率超过99%
闯入实验室的电熨斗让王博团队解决了当务之急。王博信心满满，本以为这种聚合材料的方法可以扩展到所有MOF体系的研究中，后来实践却证明，一些超高稳定、耐酸、耐碱的MOF，就是做不出来。
王博猜测是某个环节出了问题，他亲自“督战”，试了上百次。经过多次尝试发现，原来是有竞争反应。一旦控制不好，MOF上会“长”出其他副产物。但实验也表明，同样的条件可以做聚合，前提是避免与空气中的水发生反应。总的来说，一是加热不宜过快，二是要与水隔离。
这个小挫折引导王博发现了一个更新的方法，能让MOF膜的韧度和性能比以前好。“不是要躲避水的干扰吗？那我就用油把它包起来。”又是一个“四两拨千斤”的方法，没用其他的高成本材料，王博用一层薄薄的油层包在上面，保证水进不去。
“我在大学时曾经因为一次实验失败很沮丧，就跟导师抱怨。结果导师反问我，你做够100组反应了吗？如果100组还不行，那就尝试1000组、10000组，总会成功一次的。”王博明白，有时候多做一点点，可能真会绝处逢生。
2017年初，王博团队关于MOF材料应用于空气过滤净化的研究论文，被国际权威学术期刊《Nature》撰文报道。其中提到，室温下该材料对于PM2.5的滤除率超过99%。报道一出，引发巨大关注，一些人对99%的滤除率有点不相信。殊不知，这个数字是成千上万次的实验测出来的，也是王博团队持续多年的重复实验得出的结论。
王博解释，PM2.5不是稳态的物质，它每天每个时刻都不一样，组分也在变。所以他们的实验分为两部分，一方面是稳态条件下的测试，拿香烟模拟雾霾。“因为当时我国空气净化器厂商的检测标准大多是拿香烟模拟测试，但香烟检测的最大问题是烧得太快，就必须不停地往里续香烟。”王博说，后来他们学习国外大气治理研究中的一个方法，用檀香。即便这样做，模拟出的环境仍然不是最真实的。
于是，很长一段时间王博和团队成员都在“等霾来”。每当雾霾天来临，他们就用管式风扇从外面抽风进来，中间放一层膜，就这样连续测。王博说，两三年的时间里，大家的心情都由天气决定，有时候是“太好了，雾霾来了，又可以做实验了”，或者是“糟糕，风来了，我的数据还没采集完，这次实验又做不完了”。正因为实验是从源头出发，测出的结果才非常接近真实环境。
但毕竟看“天”做实验太被动，2016年王博和团队成员做了一套模拟仿真系统，模拟北京的大气状况，并提前“算”出来相应大气条件下适用的材料应该具备什么样的性能。经过实验，拿这个数据跟大气的实际数据做比对，再校正这个模型。后来，这套模拟仿真系统的确帮了王博他们的大忙。“因为，北京的蓝天越来越多，雾霾天越来越少。”王博笑着说。
就这样，将MOF材料纺成丝做成膜，王博和团队成功地织出一张吸附PM2.5的网。
科研要“走上书架，也走上货架”
整整5年多的时间，王博都在忙着反复实验，测试材料的稳定性。2017年，他开始琢磨如何让研究成果变成服务社会的产品。
投入规模化生产，要克服的一个大难关就是成本控制。如何把实验室中不计成本的研究变成大规模的生产？“我本来以为，成本是可控的，但是把能耗等各种生产成本计算进去之后，按照我的配方生产出来的产品价格竟然比黄金还要贵好几倍。”王博后来了解到，经过努力，第一代MOF的成本已降低到2欧元1公斤。“既然第一代材料的成本能够实现可控，第二代的材料也是可以做到的，一定要尽量用简单手段解决复杂问题。成本得低，否则老百姓怎么用？”
工业方面用材更考虑的是性价比。印染业、喷漆业的有害物挥发特别复杂，因此对成本就不是特别敏感。但对于家用的情况，污染物相对单一，对成本的要求也较低。王博团队就针对不同需求，设计不同的膜，膜的体系不一、厚薄不一、精细度不一，成本也就不一样。
这两年，王博团队一直在和厂商、公司谈合作。如今，MOF已陆续被制成各种各样的滤芯，匹配不同的工业产品，如空气净化器、中央空调、车载空调、新风系统等。
“科学研究的最佳方向就是‘走上书架，也走上货架’。”王博解释，“走上书架”就是说在研究中形成一些非常好的理论成果，或者对以前的成果有所突破和推进；“走上货架”就是说理论研究、科学实验和工业、实业要结合在一起，真正使科学研究对普通人的生活产生作用。
为了达成这个目标，王博对于MOF材料的研究一直在继续。前段时间，王博团队又有了新的研究成果——用MOF催化分解臭氧。王博说，几年前就有专家预测，因为空气中二氧化氮没有控制住，减排没完全做到位，氮氧化物经阳光照射，空气中的氧气就会变成臭氧。
“臭氧对呼吸道是有刺激的，臭氧浓度如果超标对人的伤害不可逆转。”王博说，对此MOF材料也有“用武之地”，被织成立体网的材料上布满了密密麻麻的微小孔洞，可以把臭氧先捕捉进来，再催化分解掉，不管是在湿度高还是空气流速快的情况，都能快速进行分解。
过滤PM2.5、杀菌、分解臭氧，如今一张MOF膜可实现的功能越来越多。“‘北京蓝’常驻京城，我们是有切身感受的。”回国8年，王博也经历了北京空气质量的改善，但他“对付”雾霾的步伐并没有放慢，“天帮忙，人更要努力，我们科研工作者一定要走在前面。”
