目前，全球每年產(chǎn)出的塑料多達4億噸，塑料污染治理迫在眉睫。通過(guò)3年探索，一對師徒將“塑料變肥皂”這一瘋狂想法變成現實(shí)。相關(guān)研究成果近日在《科學(xué)》發(fā)表。通過(guò)他們設計的特殊“壁爐”，塑料先被燃燒成蠟，再轉化為高價(jià)值的表面活性劑和洗滌劑，比如肥皂。美國弗吉尼亞理工大學(xué)副教授劉國良是論文通訊作者，目前在西北工業(yè)大學(xué)做博士后的許振是第一作者。

　　1輪審稿、4個(gè)月修改，《科學(xué)》對論文的接收非常順利，但許振和導師劉國良卻并不滿(mǎn)意。因為發(fā)頂刊從來(lái)不是他們的目標，真正把塑料變肥皂推向產(chǎn)業(yè)化、解決實(shí)際環(huán)境問(wèn)題，才是他們的初心。

　　塑料化為肥皂：靈感來(lái)自壁爐

　　自2018年起，劉國良就一直在摸索塑料再利用的路子。要實(shí)現工業(yè)應用，這條路必須簡(jiǎn)單且經(jīng)濟可行。

　　預計到2050年，全球塑料累計產(chǎn)量將達到340億噸，其中60%是使用最廣泛的聚乙烯和聚丙烯。

　　將聚乙烯和肥皂放在一起，似乎是八竿子打不著(zhù)的事。但實(shí)際上，它們在分子層面有著(zhù)緊密關(guān)聯(lián)。脂肪酸是肥皂等表面活性劑的主要原料，其分子結構與聚乙烯相似，只是脂肪酸的碳鏈長(cháng)度遠短于聚乙烯的高分子長(cháng)鏈。

　　也就是說(shuō)，如果使聚乙烯的長(cháng)鏈斷裂，生成長(cháng)度合適的脂肪酸碳鏈，塑料變肥皂并非天方夜譚。

　　2020年圣誕節，結束一天工作的劉國良坐在壁爐旁取暖。當他凝視木頭燃燒的火光時(shí)，一個(gè)靈感突然闖入腦海。劉國良迅速找來(lái)一個(gè)塑料袋扔進(jìn)壁爐，看到塑料袋劇烈燃燒，他又取來(lái)一勺食用油倒在木頭上，同樣產(chǎn)生了劇烈燃燒。

　　劉國良想，木頭不完全燃燒會(huì )生成煙霧，正是木材燃燒過(guò)程中纖維素分解成短鏈分子形成氣體小分子的環(huán)節，完全燃燒后就會(huì )生成二氧化碳。而塑料和木頭一樣，在壁爐中燃燒都是從固態(tài)到氣態(tài)。

　　這似乎意味著(zhù)，如果能準確控制聚乙烯的燃燒條件，在形成氣體小分子之前停止燃燒過(guò)程，并恰好停止在類(lèi)脂肪酸的階段，就可能得到碳鏈長(cháng)度合適的分子。

　　劉國良隱隱覺(jué)得，這將是一個(gè)絕佳的課題。為此，他找到心目中的理想人選——當時(shí)正在弗吉尼亞理工大學(xué)讀博士四年級的“90后”許振。

　　經(jīng)過(guò)近3年的研究，他們打造出一個(gè)特殊的“壁爐”。這個(gè)燃燒反應裝置的精妙之處在于溫度梯度的設置：反應裝置的底部溫度達到360℃，可以使聚乙烯的長(cháng)鏈斷裂；而當產(chǎn)生的煙霧上升進(jìn)入冷區，這些分子會(huì )冷凝，避免進(jìn)一步燃燒分解成更小的氣體分子。

　　經(jīng)過(guò)這樣的反應，裝置里最終形成的殘留物，就是他們要找的聚乙烯短鏈分子材料——蠟。

　　接下來(lái)，他們向裝置中注入空氣和硬脂酸錳催化劑，使裝置中的蠟進(jìn)行氧化反應以及隨后的皂化反應，進(jìn)而生成脂肪酸，這正是高價(jià)值的表面活性劑和洗滌劑的原料。

　　更為欣喜的是，將聚丙烯放進(jìn)這個(gè)“壁爐”中，也能得到與聚乙烯相似的結果。這意味著(zhù)，無(wú)須在生活中將兩種垃圾分類(lèi)，就可以直接混合送入反應裝置。

　　登上頂刊但他們還“不太滿(mǎn)意”

　　雖然研究登上了《科學(xué)》，但劉國良和許振都感到“不太滿(mǎn)意”。

　　實(shí)際上，早在2021年初，他們在對聚丙烯和聚乙烯進(jìn)行燃燒反應裝置實(shí)驗時(shí)就獲得了成功。奇怪的是，后面的催化升級反應卻很難復現。

　　于是他們決定暫時(shí)放下聚丙烯和聚乙烯的研究，先做實(shí)驗數據較好的聚苯乙烯。2022年8月，聚苯乙烯的研究取得了不錯的成果，并發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》。

　　再次研究聚丙烯和聚乙烯時(shí)，他們又有了靈感，尤其是在催化反應階段調高氣流量等方法，最終解決了實(shí)驗無(wú)法復現的問(wèn)題。

　　今年2月9日，他們將這項研究投給了《科學(xué)》。一個(gè)多月后，審稿人一口氣提出了近30個(gè)問(wèn)題，包括研究的經(jīng)濟可行性、進(jìn)一步闡明反應機理等。

　　接下來(lái)的4個(gè)多月，許振集中火力進(jìn)行突擊。為了解決熱傳導和研究經(jīng)濟可行性的計算問(wèn)題，許振找到母校山東師范大學(xué)教授張其坤。而先前在聚苯乙烯研究中與他們有很好合作的東北財經(jīng)大學(xué)教授許建軍和美國圣塔克拉拉大學(xué)教授蔡港樹(shù)，也對這項研究提出了一些建議。

　　對于論文最終被《科學(xué)》接收，劉國良坦言自己“又驚喜，又不驚喜”，因為這是自己組建實(shí)驗室以來(lái)的第一篇《科學(xué)》論文，但他從不刻意追求在頂級期刊上發(fā)表論文，只希望解決研究中的問(wèn)題。

　　這種精神也影響著(zhù)許振。“劉老師總是讓我們去思考，為什么做這件事。”他說(shuō)，“比如剛發(fā)表的這篇《科學(xué)》的研究，對于實(shí)現工業(yè)應用，就還有很多地方需要完善。”

　　全職回國研究：英雄找到用武之地

　　因為這項研究，許振延期畢業(yè)半年。2022年，他取得博士學(xué)位。惜才的劉國良希望這個(gè)和自己一樣對科研有著(zhù)純粹和極致追求的年輕人能留下來(lái)，并為許振后面幾年的研究做了很多鋪墊工作。

　　“如果不是因為家人，我會(huì )再在劉老師的組內鍛煉兩年。”在外求學(xué)期間，親人的離世給了許振很大的打擊，站在去留的路口，許振選擇了回國，回到家人身邊。

　　許振坦言自己是個(gè)“喜新厭舊”的人。他喜歡發(fā)揮想象力去思考、找到新的發(fā)現，這正是科研給予他的享受。

　　2016年，從山東師范大學(xué)畢業(yè)后，他只身前往美國求學(xué)。5年多的緊張科研，經(jīng)常讓他感到壓力很大。但他總能找到疏解的方式——去美麗的小鎮走走，去美食街逛逛。

　　如今，許振已經(jīng)在西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)展博士后工作。對于進(jìn)教學(xué)崗或者升職稱(chēng)，他并不著(zhù)急，他希望再花些時(shí)間，把塑料變肥皂的研究徹底推向工業(yè)界。

　　“我們的工作需要正視之前研究的實(shí)用性，雖然已經(jīng)研究了聚丙烯和聚乙烯回收的經(jīng)濟可行性，但我更想讓國內甚至全世界的工業(yè)界認識到我們方法的可行性。”許振說(shuō)。

　　英雄不問(wèn)出處，但一定有他一步步走來(lái)的路。正如論文上線(xiàn)那天，劉國良在微信朋友圈寫(xiě)的那樣：“如今許振回到了國內工作，希望英雄找到用武之地，將他的才能發(fā)揮到極致。”（記者 田瑞穎）