Osuji实验室开发的一种纳米级膜技术对的是废水中常见的油类成分

Osuji实验室开发的一种纳米级膜技术对的是废水中常见的油类成分。他们的膜技术能够有效且持久地过滤掉油性污染物，为废水处理应用带来希望。图片来源：Osuji实验室

他的研究重点是软材料动力学，其中包括对膜等材料的设计和结构如何影响水过滤、金属分离等的关注。在与EII的问答中，Osuji介绍了他的研究及其与可持续性和环境的联系，探讨了行业和研究人员如何更好地合作，并分享了他对教授下一代化学工程师最兴奋的事情。

您能否分享一些您的研究成果、您如何对这个领域产生兴趣以及是什么吸引您来到宾夕法尼亚大学?

我的实验室主要研究软材料的结构和动力学。因此，我们关心的是结构，即原子和分子的排列方式，以及这种结构如何产生特性。例如，材料的结构会影响我们关心的特性，如离子渗透性，即离子穿过材料的速度。

我们还研究软材料的动力学。这主要采取复杂流体流变学实验研究的形式。流变学指的是物质如何流动。复杂流体是由流体成分相互作用而形成的系统。例如，如果你只取水，我们称之为简单流体。但是如果你开始添加胶体颗粒、聚合物或表面活性剂等物质，它的行为就会变得更加复杂。因此，我们每天遇到的东西，如牙膏、蛋黄酱、激光打印机中的墨水或油漆，都是复杂流体的例子。我的实验室研究复杂流体中的成分如何改变该流体的流动行为。

回到结构、性质和软材料的研究，我们研究的一个大课题是聚合物和液晶的自组装。我们研究这些材料在温度或浓度变化下自发形成的结构，以及这些自发形成的结构如何影响材料的特性。

离子传输是这些令人感兴趣的特性之一。我们关心的是制造用于控制离子传输的聚合物膜。我们还关心制造用于通过纳滤净化水的聚合物膜。聚合物能多好地排斥水中的污染物?这取决于材料结构的某些方面。膜将一种离子传输到另一种离子的能力对于金属分离也非常重要;例如从消费电子废物或采矿作业的尾矿中回收有价值的金属。

多年前，当我还是康奈尔大学本科生时，我就对这一切产生了兴趣。我在那里研究聚合物，这种兴趣让我进入研究生院，成为博士后，在耶鲁大学开始我的职业生涯，然后于2018年来到宾夕法尼亚大学。我来这里的原因是我们这里在软材料研究方面实力雄厚。这里不仅有很多工程学人才，还有物理和化学人才，甚至医学院的人才。我们当然已经达到了临界规模。

将可持续性融入化学工程行业的主要挑战和机遇是什么?

哇，有很多!其中一个就是缺乏技术或科学解决方案。在某些情况下，我们没有技术、材料或工艺，无法为当前最先进的或当前使用的工艺、材料和方法提供更可持续的替代方案。在其他情况下，采用和扩大现有解决方案是主要挑战。所以它是多方面的。在我研究的一些领域，我们只是缺乏技术解决方案，我们缺乏材料，或者我们缺乏大规模生产这些材料的能力，无法将它们投入化学工业。

您希望未来看到可持续发展领域发生哪些变化?

这个问题问得真好。可持续性是一个很广泛的领域。这个术语涵盖了很多东西，但我想我最希望的改变是采用。你知道，我认为在很多情况下，我们对如何以更可持续的方式运营有着相当的认识。但在采用方面，或在规模化和实践方面，我们还没有做到这一点。所以我认为这是一个挑战。我希望我们将来能做得更好。

您认为宾夕法尼亚大学对支持这些目标有何影响?

嗯，这又是一个多方面的事情。宾大显然是一所非常知名的机构。因此，它所做的对其他人来说很重要。产生影响的一种方式是为其他人树立一个好榜样。这可能体现在我们建造的建筑类型上，或者我们在现有建筑中使用的暖通空调系统类型上。这也可能体现在我们对回收利用的投入程度上，或者你知道，在我们的建筑和日常生活中使用非一次性咖啡杯，诸如此类简单的事情。

当然，宾大还可以通过科学和研究引领潮流。宾大开展了许多研究，涉及许多不同的部门，一些部门研究开发技术和材料，另一些部门研究人类行为以及如何改变人类行为。研究范围很广，宾大可以而且正在通过其在许多领域的学术研究引领潮流。

您的工作如何受到有关可再生能源和绿色技术的讨论和政策的影响?

相当多。在我的实验室里，我们做着几件不同的事情。我们非常关心的事情之一是膜或膜技术。我的实验室致力于开发能够降低某些化学过程(特别是化学分离)能量强度的膜。全球相当一部分能源消耗用于化学分离——大约10-15%。这是一个巨大的数字。如果我们能够减少与碳氢化合物分离相关的能源使用(例如将有机溶剂混合物分离成其成分;或商品规模化学原料，如必须纯化以制造聚对苯二甲酸乙二醇酯(塑料瓶中使用的塑料)的二甲苯异构体)，我们将产生巨大的影响。

Osuji实验室的一项创新促成了一种独特的薄膜的开发，其孔径仅为纳米级，可以实现高效的水过滤。

Osuji实验室的一项创新促成了一种独特的薄膜的开发，其孔径仅为纳米，可实现高效的水过滤。图片来源：Osuji实验室

正如我之前提到的，关键矿物回收是另一个领域。因此，对这些领域和相关领域的可持续性的关注为我的实验室工作注入了活力。它使我们更加专注，并使我们更加致力于开发该领域的技术解决方案。

学术界和产业界的合作如何促进可持续实践的发展?

我认为，差距很大。在某些情况下，工业界实际上领先于学术界。而在其他情况下，工业界则落后。归根结底，解决方案需要在工业环境中大规模实施，才能真正对社会产生影响。我认为，工业界和学术界可以更好地合作。有时，这只是一个知道要问什么问题或实际问题是什么的问题。来自工业界的人会告诉你，有时知识产权本身就是问题。总的来说，我认为工业界与学术界的合作越紧密，让学术研究人员更多地了解他们试图解决的具体问题，我认为我们的进展就会越快。

化学工程师如何有效地向非技术利益相关者传达可持续性的重要性?

有很多种方式。我感觉这一点的重要性已经渗透到了社会的各个角落。人们可以感知气候变化，可以感知到更猛烈的风暴、夏季更酷热的影响，可以感知到污染的影响。所以我认为人们的意识比以往任何时候都要高得多。

化学工程师或具有技术背景的人如果想与技术背景较差的人讨论这个问题，最好从众所周知的例子出发，并使用简单的语言。我们都经历过千年虫危机，对吧?我们经历了臭氧层空洞的挑战。作为一个全球社会，我们应对了由我们在气溶胶中使用的某些有害推进剂造成的臭氧层损耗，并共同应对了这一挑战。因此，有社会(国家、)齐心协力，在面临严重威胁时采取一致行动的例子。我认为，我们应该以类似的方式思考可持续性和气候变化。我认为，通过提及过去的这些成功经验，并使用简单的语言，我们可以取得更好的进展，并进一步提高人们对应对这些挑战的必要性的认识。

请告诉我您教授的一些课程以及这些课程令您感兴趣的方面。

今年秋天，我将教授CBE1600，即化学工程入门。这门课程通常面向有意主修化学工程的大一新生。这是一门非常令人兴奋的课程，因为这些学生六个月前还在读高中。因此，对于他们中的许多人来说，这是他们第一次接触正规的工程课程，当然也是第一次接触化学工程。观察他们的观点如何变化总是很有趣的：他们一开始认为化学工程是什么，然后随着他们接触到越来越多的学科方面，观察这种观点在整个学期中如何演变。

春季，我教授了一门研究生选修课，自2019年以来，我一直在教授这门课。这门课是CBE5700，涵盖了聚合物科学和软物质实验方法的理论和实践。这门课主要以讲座为主，但我们也会去实验室做一些实验。我讲授了X射线散射、流变学和其他用于研究软材料和聚合物的实验技术背后的理论。然后我们进入实验室，做一些实验，并使用我们在讲座中讲到的理论来分析数据。这门课程近年来有所更新。现在有一个关于自主实验的部分，这真的令人兴奋。在这个领域，我们使用计算机来驱动实验，不仅仅是为了自动化实验，而且是为了自动化数据分析和准备额外的实验。所以，这是一个完全由计算机控制的工作流程，这对我们来说是一个非常酷的新领域。