文 | 《中國科學報》記者 李清波

越簡單，鉆研越高級。年后年難在合成含能化學品等領域，用半有一群科學家追求“大道至簡”，時破用簡單、解百易得、題新廉價的聞科化學原料合成目標產(chǎn)物。

“不用有機溶劑只用水，學網(wǎng)不用高溫靠常溫，夕陽學科微觀結構四四方方，鉆研三種成分、年后年難五種爆炸產(chǎn)物，用半論文標題除了冠詞也僅僅4個單詞——我這篇論文追求的時破就是簡潔。”

近日，解百中北大學環(huán)境與安全工程學院教授馮永安在《自然-通訊》上，發(fā)表了題為《一種有前途的鈣鈦礦起爆藥》 （A promising perovskite primary explosive）的論文。論文介紹了一款與眾不同的起爆藥及其“極簡”的合成方法。他是論文的第一作者兼通訊作者。

馮永安創(chuàng)造的這種前所未有的起爆藥結構，解決了民用起爆藥毒性強的弊端，可能會在高樓爆破、汽車安全氣囊、公路橋梁施工、隧道掘進，甚至是地震波檢測等起爆藥應用領域帶來一場全面革新。

在從事起爆藥研究的10年間，馮永安卻花費了大量時間閱讀其他行業(yè)的論文：工程、化學、生物、環(huán)境、材料……連著名醫(yī)學期刊《柳葉刀》都沒有放過。

馮永安之所以要多方學習其他學科的知識經(jīng)驗，是因為整個起爆藥領域的發(fā)展遇到了一言難盡的瓶頸。

“起爆藥的研究經(jīng)歷了100多年，最近10多年來，鮮有重磅的研究成果，甚至同行們在影響因子10以上的期刊發(fā)表成果都很少見。人走的走，散的散。”沿著老路走，應該沒有前途了，到底是學科走到了盡頭？還是自己能力不夠？馮永安想不明白，只能繼續(xù)磨各領域的論文，最終磨出了門道。

2021年的一天，馮永安看了一整天論文，回到家里已經(jīng)過了凌晨一點。

剛一進門，白熾燈管把空曠的房間照得很明亮。看著接近立方體的房屋，馮永安一下子聯(lián)想到自己刷論文時，出現(xiàn)頻率很高的一個詞匯——鈣鈦礦。

想著想著，他感到仿佛自己縮小到一百億分之一，置身于比納米尺度還要小十分之一的空間里，房屋的8個頂點選擇鈉離子和銨離子，點與點之間以強氧化性的高碘酸根離子連接，不遠不近適合引爆，空曠房間中裝著三乙烯二胺離子，不大不小空間剛好……一個模擬鈣鈦礦結構的起爆藥新方法在腦海中漸漸浮現(xiàn)。

馮永安一下子精神了。他獨自一人趁著夜色，來到中北大學的實驗室，僅花了半個小時就驗證了心中的猜想——世界第一款雙鈣鈦礦結構的起爆藥研制成功。

這種不含重金屬、生產(chǎn)過程無毒無污染的新型結構起爆藥，被命名為DPPE-1。之后，馮永安全方位測試了新材料，結論是它的點火性能可與迄今為止報道的威力最強的起爆藥相媲美。

這個發(fā)現(xiàn)看似是妙手偶得，實則早有規(guī)律可循。人類已知的含有氮碳、氮氧元素的有機物含能分子，再加上金屬離子的含能分子等總共有8萬多種物質，在共價鍵、配位鍵、離子鍵三種作用力下的復雜排列組合，已經(jīng)被大體研究了一遍。因此，馮永安必須選擇一條過去鮮有人嘗試的路徑：用鈣鈦礦結構中的弱相互作用力來進行分子組裝。

排除貴重金屬、排除一些性能非常熟悉的分子，憑借經(jīng)驗把一些組合剔除出名單……站在前人和文獻的基礎上，馮永安花費數(shù)年時間否定了8萬種組合。因為對有機物和金屬的各種組合早已爛熟于胸，所以才能一瞬間找到在立方體安排上成功概率最高的分子。

“毋庸諱言，學科整體發(fā)展困難，不是我一個人面臨的問題，而是大家窮盡各種物質的搭配組合，都沒想到全新的方法。”馮永安在起爆藥組分及工藝已經(jīng)研究了10年，在此之前也僅僅是做了一些修修補補的工作。盡管他目睹了學科緩慢的凋零，但是始終沒有放棄自己的最初目標。

馮永安在實驗室觀察物質結構。受訪者供圖

起爆藥、傳爆藥、炸藥共同組成了一個完整的爆炸序列：通過引爆前者逐級放大能量，就像功率倍增的大喇叭，越靠前威力越小、越敏感；越靠后，能量越大、越遲鈍。起爆藥是距離“扳機”最近的喇叭，整個起爆過程只有10-6秒，起爆藥的研究是含能化學品研究中的重要部分。

然而爆炸產(chǎn)生的有毒氣體、固體，特別是納米級顆粒的金屬會給人體造成嚴重危害。所有起爆藥爆炸后都會造成有毒污染，區(qū)別無非就是毒性的大與小。

百年起爆藥演化歷史，一個重要的研究方向就是降低毒性。早期常用雷汞作為雷管，爆炸后產(chǎn)生劇毒的汞蒸氣，后來的起爆藥也有高氯酸鹽、氯氣等爆炸產(chǎn)物，都是人體健康不可承受之重。

馮永安研制的DPPE-1燃燒產(chǎn)物為氯化鈉、二氧化碳、水、氮氣、碘蒸氣五種，而且生產(chǎn)過程中使用水而非有毒的有機溶液，制作環(huán)境是常溫而非高溫。無論是生產(chǎn)過程還是爆炸產(chǎn)物，環(huán)保性更強。

DPPE-1的極限起爆藥量為5毫克，是已知有報道的含能化合物最低值，點火性能可與性能最強大的軍用起爆藥相媲美。

它擁有迄今為止起爆藥的最高氧平衡值。成分中的氧元素既不浪費，也不多余，這一指標對于重量極為敏感的起爆藥來說至關重要。

DPPE-1擁有2.88克每立方米的密度，超過2克每立方米這個標準線，強于絕大多數(shù)傳統(tǒng)起爆物。而且它還具有很強的化學穩(wěn)定性。

馮永安介紹說，在基礎指標上，DPPE-1跑贏了絕大多數(shù)傳統(tǒng)的起爆藥，但是仍然存在著分解溫度偏低的遺憾。下一步，他的團隊將針對這一特性進行改進，以拓展用途。

從指標看，DPPE-1作為起爆藥，它的性情足夠“敏感”、足夠“暴躁”。從結構上看，DPPE-1的獨特性在于它是一款跨越學科界限的產(chǎn)物。

馮永安這樣解釋它的創(chuàng)新點：鈣鈦礦結構引入起爆藥；使用了便宜且容易獲取的原材料生產(chǎn)起爆藥；爆炸后沒有毒性產(chǎn)物；制作工藝是目前為止最簡潔的。

馮永安表示，科學家們和工業(yè)界一貫追求的是極簡風。很多學科都在追求化繁為簡，越簡潔越有力量，越有美感。

顯微鏡下的DPPE-1。受訪者供圖

DPPE-1取自三種價格低廉的化合物，幾種溶液融匯在旋轉的旋渦中，幾秒之后，固體化合物在水中快速完成分子組裝，燒杯中的磁子叮叮當當?shù)刈岔懥吮凇?/p>

在顯微鏡下，小方塊狀的分子就像沖咖啡的方糖一樣排列整齊，與其他已有的起爆藥結構完全不同。簡易的環(huán)境、簡單的技術、透亮的材料、規(guī)整的晶體，與論文標題一樣呈現(xiàn)出一股極簡科技風。

接受采訪時，一身工裝的馮永安像是一個工程師。因為耐臟耐造的衣服更適合做實驗，手下的副教授、博士生、碩士生都是如此，方便隨時工作。入職4年，馮永安擁有了一棟不大的實驗樓，一個精干的團隊，實現(xiàn)自己多年來的夢想。

馮永安（左二）的課題組成員。

為了成為獨立PI，將高層次人才充實到自己的課題組，獨立自主開展自己看好的方向，馮永安放棄了不止一個好機會。

博士后出站后，馮永安有機會進入科研平臺更好的研究院所和高校，甚至入職手續(xù)都開始辦了，最后一步卻退縮了。他意識到，進入這些單位，進入大課題組的代價，是改變自己的科研方向 。

“真是有點不甘心。”馮永安思前想后，還是覺得里子比面子更重要。他硬著頭皮拒絕了馬上就要到手的教職，選擇了平臺更自由的中北大學。

擁有自己的實驗室后，馮永安一直模仿在北理工讀博期間導師的作息規(guī)律和師兄師姐的拼搏精神，所以一有思路就著手實驗，絲毫不愿意等。做實驗做到后半夜是馮永安的常態(tài)。

“半夜做實驗不是好習慣，不建議模仿。”馮永安事后回想這次發(fā)現(xiàn)也有點后怕，“0.1克的起爆藥就可以把我的杯子炸碎，當時實在是太想知道答案了。”

入職中北大學的4年，馮永安一面繼續(xù)思考“老去”的課題方向，如何尋找新的突破點；一面大力推進成果轉化，把自己的研發(fā)成果盡快量產(chǎn)推向市場。憑借這篇論文，馮永安終于在兩條戰(zhàn)線上都有了初步成果。

 “一個新概念新技術的提出，可能會給原本落寞的學科帶來新的發(fā)展希望。”馮永安希望不久的將來，自己的成果能夠再次讓人眼前一亮。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-43320-0