作者:李清波 来源:科学网微信公众号 发布时间:2023/12/25 20:26:09
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在“夕阳学科”钻研10年后,他用半个小时破解百年难题

 

文 | 《中国科学报》记者 李清波

越简单,越高级。在合成含能化学品等领域,有一群科学家追求“大道至简”,用简单、易得、廉价的化学原料合成目标产物。

“不用有机溶剂只用水,不用高温靠常温,微观结构四四方方,三种成分、五种爆炸产物,论文标题除了冠词也仅仅4个单词——我这篇论文追求的就是简洁。”

近日,中北大学环境与安全工程学院教授冯永安在《自然-通讯》上,发表了题为《一种有前途的钙钛矿起爆药》 (A promising perovskite primary explosive)的论文。论文介绍了一款与众不同的起爆药及其“极简”的合成方法。他是论文的第一作者兼通讯作者。

冯永安创造的这种前所未有的起爆药结构,解决了民用起爆药毒性强的弊端,可能会在高楼爆破、汽车安全气囊、公路桥梁施工、隧道掘进,甚至是地震波检测等起爆药应用领域带来一场全面革新。

把自己缩小到百亿分之一能看见什么?

在从事起爆药研究的10年间,冯永安却花费了大量时间阅读其他行业的论文:工程、化学、生物、环境、材料……连著名医学期刊《柳叶刀》都没有放过。

冯永安之所以要多方学习其他学科的知识经验,是因为整个起爆药领域的发展遇到了一言难尽的瓶颈。

“起爆药的研究经历了100多年,最近10多年来,鲜有重磅的研究成果,甚至同行们在影响因子10以上的期刊发表成果都很少见。人走的走,散的散。”沿着老路走,应该没有前途了,到底是学科走到了尽头?还是自己能力不够?冯永安想不明白,只能继续磨各领域的论文,最终磨出了门道。

2021年的一天,冯永安看了一整天论文,回到家里已经过了凌晨一点。

刚一进门,白炽灯管把空旷的房间照得很明亮。看着接近立方体的房屋,冯永安一下子联想到自己刷论文时,出现频率很高的一个词汇——钙钛矿。

想着想着,他感到仿佛自己缩小到一百亿分之一,置身于比纳米尺度还要小十分之一的空间里,房屋的8个顶点选择钠离子和铵离子,点与点之间以强氧化性的高碘酸根离子连接,不远不近适合引爆,空旷房间中装着三乙烯二胺离子,不大不小空间刚好……一个模拟钙钛矿结构的起爆药新方法在脑海中渐渐浮现。

冯永安一下子精神了。他独自一人趁着夜色,来到中北大学的实验室,仅花了半个小时就验证了心中的猜想——世界第一款双钙钛矿结构的起爆药研制成功。

这种不含重金属、生产过程无毒无污染的新型结构起爆药,被命名为DPPE-1。之后,冯永安全方位测试了新材料,结论是它的点火性能可与迄今为止报道的威力最强的起爆药相媲美。

这个发现看似是妙手偶得,实则早有规律可循。人类已知的含有氮碳、氮氧元素的有机物含能分子,再加上金属离子的含能分子等总共有8万多种物质,在共价键、配位键、离子键三种作用力下的复杂排列组合,已经被大体研究了一遍。因此,冯永安必须选择一条过去鲜有人尝试的路径:用钙钛矿结构中的弱相互作用力来进行分子组装。

排除贵重金属、排除一些性能非常熟悉的分子,凭借经验把一些组合剔除出名单……站在前人和文献的基础上,冯永安花费数年时间否定了8万种组合。因为对有机物和金属的各种组合早已烂熟于胸,所以才能一瞬间找到在立方体安排上成功概率最高的分子。

“毋庸讳言,学科整体发展困难,不是我一个人面临的问题,而是大家穷尽各种物质的搭配组合,都没想到全新的方法。”冯永安在起爆药组分及工艺已经研究了10年,在此之前也仅仅是做了一些修修补补的工作。尽管他目睹了学科缓慢的凋零,但是始终没有放弃自己的最初目标。

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冯永安在实验室观察物质结构。受访者供图

无毒起爆药是百年未解难题

起爆药、传爆药、炸药共同组成了一个完整的爆炸序列:通过引爆前者逐级放大能量,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、越迟钝。起爆药是距离“扳机”最近的喇叭,整个起爆过程只有10-6秒,起爆药的研究是含能化学品研究中的重要部分。

然而爆炸产生的有毒气体、固体,特别是纳米级颗粒的金属会给人体造成严重危害。所有起爆药爆炸后都会造成有毒污染,区别无非就是毒性的大与小。

百年起爆药演化历史,一个重要的研究方向就是降低毒性。早期常用雷汞作为雷管,爆炸后产生剧毒的汞蒸气,后来的起爆药也有高氯酸盐、氯气等爆炸产物,都是人体健康不可承受之重。

冯永安研制的DPPE-1燃烧产物为氯化钠、二氧化碳、水、氮气、碘蒸气五种,而且生产过程中使用水而非有毒的有机溶液,制作环境是常温而非高温。无论是生产过程还是爆炸产物,环保性更强。

DPPE-1的极限起爆药量为5毫克,是已知有报道的含能化合物最低值,点火性能可与性能最强大的军用起爆药相媲美。

它拥有迄今为止起爆药的最高氧平衡值。成分中的氧元素既不浪费,也不多余,这一指标对于重量极为敏感的起爆药来说至关重要。

DPPE-1拥有2.88克每立方米的密度,超过2克每立方米这个标准线,强于绝大多数传统起爆物。而且它还具有很强的化学稳定性。

冯永安介绍说,在基础指标上,DPPE-1跑赢了绝大多数传统的起爆药,但是仍然存在着分解温度偏低的遗憾。下一步,他的团队将针对这一特性进行改进,以拓展用途。

从指标看,DPPE-1作为起爆药,它的性情足够“敏感”、足够“暴躁”。从结构上看,DPPE-1的独特性在于它是一款跨越学科界限的产物。

冯永安这样解释它的创新点:钙钛矿结构引入起爆药;使用了便宜且容易获取的原材料生产起爆药;爆炸后没有毒性产物;制作工艺是目前为止最简洁的。

冯永安表示,科学家们和工业界一贯追求的是极简风。很多学科都在追求化繁为简,越简洁越有力量,越有美感。

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显微镜下的DPPE-1。受访者供图

DPPE-1取自三种价格低廉的化合物,几种溶液融汇在旋转的旋涡中,几秒之后,固体化合物在水中快速完成分子组装,烧杯中的磁子叮叮当当地撞响了杯壁。

在显微镜下,小方块状的分子就像冲咖啡的方糖一样排列整齐,与其他已有的起爆药结构完全不同。简易的环境、简单的技术、透亮的材料、规整的晶体,与论文标题一样呈现出一股极简科技风。

放弃进大组,只为课题“自由”

接受采访时,一身工装的冯永安像是一个工程师。因为耐脏耐造的衣服更适合做实验,手下的副教授、博士生、硕士生都是如此,方便随时工作。入职4年,冯永安拥有了一栋不大的实验楼,一个精干的团队,实现自己多年来的梦想。

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冯永安(左二)的课题组成员。

为了成为独立PI,将高层次人才充实到自己的课题组,独立自主开展自己看好的方向,冯永安放弃了不止一个好机会。

博士后出站后,冯永安有机会进入科研平台更好的研究院所和高校,甚至入职手续都开始办了,最后一步却退缩了。他意识到,进入这些单位,进入大课题组的代价,是改变自己的科研方向 。

“真是有点不甘心。”冯永安思前想后,还是觉得里子比面子更重要。他硬着头皮拒绝了马上就要到手的教职,选择了平台更自由的中北大学。

拥有自己的实验室后,冯永安一直模仿在北理工读博期间导师的作息规律和师兄师姐的拼搏精神,所以一有思路就着手实验,丝毫不愿意等。做实验做到后半夜是冯永安的常态。

“半夜做实验不是好习惯,不建议模仿。”冯永安事后回想这次发现也有点后怕,“0.1克的起爆药就可以把我的杯子炸碎,当时实在是太想知道答案了。”

入职中北大学的4年,冯永安一面继续思考“老去”的课题方向,如何寻找新的突破点;一面大力推进成果转化,把自己的研发成果尽快量产推向市场。凭借这篇论文,冯永安终于在两条战线上都有了初步成果。

 “一个新概念新技术的提出,可能会给原本落寞的学科带来新的发展希望。”冯永安希望不久的将来,自己的成果能够再次让人眼前一亮。

相关论文信息:

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

 
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