博士后期间，王旭晨选择了一个前沿研究课题：测定海洋有机化合物中的天然碳－14含量，这在当时还是没有人做过的事情。几十年来，海洋有机地球化学的发展，在很大程度上依赖于分析仪器和技术的突破与提高，分析测定海洋微量有机化合物中的天然碳－14含量，从而能够计算其年龄是海洋有机地球化学领域科学家多年的梦想。20世纪90年代初，随着加速器质谱仪（AMS）的推广应用，测定碳－14所需的样品量大大降低，使得这一梦想得以实现。王旭晨在美国加州大学从事研究期间，率先开展了分离海洋颗粒物及沉积物中不同有机化合物组分用于AMS测定天然碳－14的工作，经过两年的努力并与美国Lawrence Livermore国家实验室AMS中心合作，成功完成了这一工作并获得国家实验室的资助。研究成果先后发表于国际地球化学著名杂志Geochimica et Cosmochimica Acta、Geophysical Research Letters上，被著名海洋有机地球化学家、美国华盛顿大学教授John Hedges誉为“这一工作打开了有机地球化学研究的一扇新窗口”。这一开创性的工作被广泛引用，包括8篇发表于Nature和Science杂志上的研究论文所引用。
2010年3月北京首次中美海洋科学教育卓越计划研讨会美方代表团，后排左三为王旭晨
王旭晨回忆说，在美国学到的最大收获就是对自己喜欢的科研要有兴趣和执着，不断探索新的研究方向和问题。很多知名科学家做科研不为名不为利，记得有一篇论文成稿后，博士后导师Ellen和作者之一Cindy教授都改过了。经Ellen同意后，便投稿到Marine Chemistry期刊，但Cincy得知后要求撤回。“我记得很清楚，当时Cindy的态度很严肃，她说：‘既然你把我作为作者之一，我有责任在你把稿件寄出之前再检查一次。’”就这样，投出的稿件又撤了回来，Cindy又仔细阅读和修改后将稿件寄回，说：“这次可以投寄了。”但是，让王旭晨更加惊讶的是，Cindy要求在作者一栏把她的名字删掉，她说：“我仅仅是提供了咨询工作，并不需要成为作者之一。”这件事虽小，但让王旭晨学到了严谨的科学态度，作为一名科研人员，王旭晨始终没有忘记导师的教诲，一直兢兢业业地工作，踏踏实实做科研。
1997年8月至2013年7月，王旭晨就职于美国马萨诸塞大学波士顿分校环境与海洋系，先后任研究员、研究教授及高级研究员，期间于1998—2001年在美国著名的伍兹霍尔海洋研究所海洋化学和地球化学系任客座研究员，2003—2006年入选中国科学院“百人计划”海外杰出人才。王旭晨长期从事海洋有机地球化学和有机生物地球化学领域的研究工作，尤其是在利用天然碳－14研究海洋有机碳循环方面作出了突出贡献，是国际上将天然碳－14方法用于海洋有机化合物组分研究的开拓者之一。目前，王旭晨发表的论文已被引用达1500多次。多年来，王旭晨一直担任美国基金委、美国化学会及多个专业期刊的评审人，并担任Frontiers in Microbiology和SOJAquatic Research的编委。
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