馮永安（左二）和課題組團隊。
馮永安在實驗室觀察物質結構。
越簡單，越高級。在合成含能化學品等領域，科學追求"大道至簡"，用簡單、易得、廉價的化學原料合成目標產物。
近日，中北大學環境與安全工程學院教授馮永安在《自然-通訊》上，發表了題為《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。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，有望在高樓爆破、汽車安全氣囊、公路橋樑施工、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。
"不用有機溶劑只用水，不用高溫靠常溫，微觀結構四四方方，三種成分、五種爆炸產物，論文標題除了冠詞也僅僅4個單詞——我這篇論文追求的就是簡潔。"馮永安說。
否定了8萬種組合，終於換來一瞬間的突破
在從事起爆藥研究的10年間，馮永安卻花了大量時間閱讀其他行業的論文：工程、化學、生物、環境、材料……連著名醫學期刊《柳葉刀》都沒有放過。
之所以要多方學習其他學科的知識經驗，是因為整個起爆藥領域的發展遇到了一言難盡的瓶頸。
「起爆藥的研究經歷了100多年，最近10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，只能繼續研磨各領域的論文，最後「磨」出了門道。
2021年的某一天，馮永安看了一整天論文，回到家裡已經過了凌晨一點。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，馮永安一下子聯想到自己刷論文時出現頻率很高的一個詞彙－鈣鈦礦。想著想著，他覺得自己彷彿縮小到一百億分之一，置身於比奈米尺度還要小十分之一的空間裡，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，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。
馮永安一下子精神了。他獨自趁著夜色，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製成功。這種不含重金屬、生產過程無毒無污染的新型結構起爆藥，命名為DPPE-1。之後，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。
這個發現看似是妙手偶得，其實早有規律可循。人類已知的含有氮碳、氮氧元素的有機物含能分子，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複雜排列組合，已經被大體研究了一遍。因此，馮永安必須選擇過去鮮少有人嘗試的路徑：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，憑藉經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於胸，所以才能一瞬間找到在立方體安排上成功機率最高的分子。
「毋庸諱言，學科整體發展困難，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方面已經研究了10年，在此之前也只是做了一些修修補補的工作。儘管他目睹了學科緩慢的凋零，但始終沒有放棄自己的最初目標。
以跨越學科界線的路徑，尋求解決百年未解難題的答案
起爆藥、傳爆藥、炸藥共同組成了一個完整的爆炸序列：透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；越靠後，能量越大、越遲鈍。起爆藥是距離「扳機」最近的喇叭，整個起爆過程只有數秒，起爆藥的研究是含能化學物質研究中的重要部分。然而爆炸產生的有毒氣體、固體，特別是奈米級顆粒的金屬會對人體造成嚴重危害。所有起爆藥爆炸後都會造成有毒污染，差異無非是毒性的大與小。
百年起爆藥演化史，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，爆炸後產生劇毒的汞蒸氣，後來的起爆藥也有高氯酸鹽、氯氣等爆炸產物，都是人體健康不可承受之重。
馮永安研製的DPPE-1燃燒產物為氯化鈉、二氧化碳、水、氮氣、碘蒸氣5種，且生產過程中使用水而非有毒的有機溶液，製作環境是常溫而非高溫。無論是生產過程還是爆炸產物，環保性都更強。
DPPE-1的極限起爆藥量為5毫克，是已知有報告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。其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，也不多餘，這項指標對於重量極為敏感的起爆藥來說至關重要。 DPPE-1擁有2.88克每立方公尺的密度，超過2克每立方公尺這個標準線，強於絕大多數傳統起爆物。而且它還具有很強的化學穩定性。
馮永安介紹說，在基礎指標上，DPPE-1跑贏了絕大多數傳統的起爆藥，但是仍然存在著分解溫度偏低的遺憾。下一步，他的團隊將針對這項特性進行改進，以拓展用途。從指標上看，DPPE-1作為起爆藥，其性情足夠「敏感」、足夠「暴躁」；從結構上看，DPPE-1的獨特性在於它是一款跨越學科界限的產物。
「鈣鈦礦結構引進起爆藥，使用了便宜且容易取得的原料生產起爆藥，爆炸後沒有毒性產物，製作工藝是目前為止最簡潔的。」馮永安這樣解釋他和團隊的創新價值。他說："科學家和工業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。"
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，幾秒之後，固體化合物在水中快速完成分子組裝，燒杯中的磁子叮叮噹噹地撞響了杯壁。顯微鏡下，小方塊狀的分子就像沖咖啡的方糖排列整齊，與其他現有的起爆藥結構完全不同。簡易的環境、簡單的技術、透亮的材料、規則的晶體，與論文標題一樣呈現出一股極簡科技風。
放棄進大課題組，只為專注與自主
受訪時，一身工裝的馮永安像是工程師。因為耐髒耐造的衣服比較適合做實驗，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大樓、一個精幹的團隊，實現了多年來的夢想。
為了成為獨立主要研究者，將高階人才充實到自己的課題組，獨立自主開展自己看好的方向，馮永安放棄了不只一個好機會。博士後出站後，馮永安有機會進入科研平台更好的研究院所和大學，甚至入職手續都開始辦了，最後一步卻退縮了。他意識到，進入這些單位，進入大課題組的代價，就是改變自己的科學研究方向。
「真是有點不甘心。」馮永安思前想後，還是覺得裡子比面子更重要。他最終選擇了平台更自由的中北大學。擁有自己的實驗室後，馮永安一直學習在北理工讀博期間導師和師兄師姐的拼搏精神，所以一有思路就著手實驗，絲毫不願意等。做實驗做到後半夜是馮永安的常態。
「半夜做實驗不是好習慣，不建議模仿。」馮永安事後回想這次發現也有點後怕，「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，馮永安一面繼續思考「老去」的課題方向，如何尋找新的突破點；一面大力推動成果轉化，把自己的研發成果盡快量產推向市場。憑藉這篇論文，馮永安終於在兩條路上都有了初步成果。
「一個新概念新技術的提出，可能會為原本落寞的學科帶來新的發展希望。」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。
本欄圖片由本報記者攝
本報記者沈佳
本報通訊員李清波
(編按：馬雲梅、襤褸)
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