爆炸驅(qū)動下的材料革命
——記北京理工大學沖擊波物理與化學實驗室副教授高鑫

鄭 心

中華人民共和國成立初期，隨著中國科學院力學所籃球場上一聲響亮的爆破聲，“爆炸力學”專業(yè)應運而生。這個由錢學森先生親自命名、鄭哲敏院士傾盡心力創(chuàng)立并延續(xù)的學科，在其后的幾十年里持續(xù)吸引著大批學子的目光與熱忱，北京理工大學機電學院沖擊波物理與化學實驗室副教授高鑫便是其中一員。薪火相傳間，一個個里程碑式的科學成果向世人證明——爆炸不是僅存于戰(zhàn)火硝煙，和平年代下，煙霧散去，浮現(xiàn)在眾人眼前的更可以是推進和平和科學的火種，只要有人愿意投身其中，潛心研究，便可以將其中的科學原理發(fā)散應用至各行各業(yè)，造福于民。

高鑫

“炸”出來的科學靈感

爆炸，本質(zhì)來說是一種極為迅速的物理或化學的能量釋放過程。在此過程中，約束空間內(nèi)的高能量密度源以極快的速度釋放能量，以波的形式向周圍擴散，轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功、光和熱等能量形態(tài)。其最重要的特征是爆炸體和周圍介質(zhì)之間壓力差的急劇變化，也是造成令人懼怕的毀滅性后果的根本原因之一。這種高速高壓作用下產(chǎn)生的不連續(xù)鋒的傳播還有一個眾人相對熟悉的名字：沖擊波。

沖擊波可對周圍物質(zhì)起破壞、拋擲、壓縮等作用，產(chǎn)生巨大的災害，但卻在爆破拆除、礦山開采等領(lǐng)域有廣泛的應用。除此之外，爆炸產(chǎn)生的瞬間高溫、高壓作用，在天體物理、地質(zhì)勘探、材料合成及加工、食品加工、生物醫(yī)學等前沿研究方面也有廣泛應用。如今，利用沖擊波為驅(qū)動的基因物質(zhì)注射、藥物投送，也都是由炸彈“炸”出來的科研靈感。

2020年是高鑫回國加入北京理工大學沖擊波物理與化學實驗室的第一個年頭。彼時的他從日本熊本大學脈沖功率科學研究所滿載新知而歸，對材料的認知實現(xiàn)了進階。求學時，二維材料以廣闊的應用前景和無限潛力持續(xù)吸引著高鑫的注意。在他看來，雖然安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫等人于2004年通過機械剝離的方式，從高取向熱解石墨材料表面剝離出了單原子層石墨烯，由此標志著材料科學研究邁入了二維時代，但諸多已制備的二維材料中，黑磷烯材料帶隙基于層數(shù)可調(diào)，固然有高開關(guān)比和電子遷移率等多重優(yōu)勢，但卻面臨制備工藝的不成熟等問題，限制其材料性能及應用的發(fā)展。

那么，該如何實現(xiàn)突破性進展？這是高鑫自回國便一直在考慮的問題。經(jīng)過廣泛查閱資料和實驗室負責人陳鵬萬教授的指導，與沖擊波手段相結(jié)合的方法被他視作破題的關(guān)鍵，國家自然科學基金青年基金“脈沖放電法制備黑磷烯及其機理研究”也應運而生?！氨姸嗟亩S材料中，黑磷烯是一種具有直接帶隙的新型二維材料，于2014年通過機械剝離、液相剝離等方法成功制備，其分子結(jié)構(gòu)呈蜂窩網(wǎng)狀褶皺結(jié)構(gòu)。”這是高鑫深思熟慮后的著力目標，也是我國材料行業(yè)未來發(fā)展的新希望之一。

目前關(guān)于黑磷烯的研究仍處于起步階段，其制備方法的研究較少且不夠成熟，但這之中脈沖放電現(xiàn)象以瞬時功率高、可重復性高，可在極短的時間內(nèi)形成高溫高壓的優(yōu)勢或可脫穎而出。為證明這一觀點，高鑫帶領(lǐng)團隊采用絲脈沖放電和液相脈沖放電兩種方式分別對黑磷材料進行了實驗。他們將純度達99.9%以上的黑磷粉末制成細棒或細條，結(jié)合高速攝影等觀測技術(shù)，研究脈沖放電制備黑磷烯的機理。

最終，結(jié)合反復實驗的結(jié)果和脈沖放電過程的詳盡分析，高鑫團隊確定了脈沖放電制備黑磷烯實驗參數(shù)的閾值區(qū)間和黑磷材料脈沖放電特性，為理論計算和數(shù)值模擬提供了必要的數(shù)據(jù)，重點探究沖擊波加載條件下，黑磷材料的溫度、壓力、致密度等因素對黑磷烯形成的影響，完善并提出絲脈沖放電和液相脈沖放電制備黑磷烯的宏觀、微觀機理。

新的嘗試帶來了新的突破，但高鑫及團隊都沒有因此而沾沾自喜、止步不前，他坦言，未來的挑戰(zhàn)還在繼續(xù)，但無論是初出茅廬的學生時代還是當下，他投身科研的初心都從未更改，即厚積科技之力，薄發(fā)創(chuàng)新未來。

量變與質(zhì)變的距離

其實，更早一點認識高鑫的人都會有所感知，大學時代起，這份投身科研、彌補行業(yè)所需的拳拳之心便熱切跳動在他的胸膛里。雖然與大多數(shù)擅長理工科的學生別無二致——擇校擇專業(yè)的因素大多是因為成績與天賦，但北京化工大學的辦學宗旨和歷史沿革卻也是一眾高校里真正吸引他目光的根本元素之一。這所始建之初便將“宏德博學、化育天工”八字箴言奉為圭臬的科學院校，在我國科技發(fā)展水平尚未騰飛時，就積極開設(shè)了面向高級化工行業(yè)需求的本科專業(yè)，甚至包括同位素分離、無機鹽、國防化工及高能燃料等專業(yè)，聚力打造志向宏大、道德高尚，能夠變革自然之工巧為人類服務的高水平人才?！坝弥袊椒ń鉀Q中國問題，書寫中國故事?！备喏瓮ㄟ^本科4年的積淀對自己的職業(yè)未來做如此理解。也正因為這種態(tài)度與規(guī)劃，研究生時期，憑借不懈努力和優(yōu)秀成績，他才會進一步選擇到賡續(xù)紅色基因的北京理工大學繼續(xù)深造。

“德以明理、學以精工”的校訓是北京理工大學校黨委對學子懷抱的殷殷期盼，“實事求是，不自以為是”則是老一輩北理工科研者向無數(shù)意在知識報國的年輕人提出的基本學術(shù)準則。在這里，高鑫固然精進了自己的科研思路，掌握了更精準、扎實的爆炸力學知識，但更重要的是，在遇到導師陳鵬萬教授之后，他構(gòu)建起了自己的科研藍圖和學術(shù)理想?！澳莻€時候是我第一次接觸到?jīng)_擊波的物理化學反應。沖擊波研究本起于戰(zhàn)時，目的是造成令人聞風喪膽的殺傷與破壞，但隨著科技、文明的發(fā)展，人們對于和平的愿望會越發(fā)強烈。所以這種能瞬時產(chǎn)生高功率、高溫度的能量源不應該用來互相摧毀，而更應該被運用于新時代背景下的攜手共建。易破壞的反面正是堅強與牢固，只要能破解爆炸的機制，我們就有望能制造出牢固不破、抗爆炸的材料?！?/p>

羅曼·羅蘭在《米開朗基羅傳》中曾經(jīng)言明：“世界上只有一種英雄主義，就是認清生活的真相后依然熱愛生活?！倍鴮τ诳蒲泄ぷ鞯恼J知，高鑫一直十分清楚：“在旁人看來，這種日復一日的實驗、分析、計算的生活是很無聊的。我們身在其中，還要面對三不五時的熬夜加班、與閑適安逸的作息時間相違背的工作安排，以及探索未知帶來的無數(shù)次失敗，當然也會有被無力感裹挾的時刻，但只要知道自己堅持的是什么，目的地在哪里，就算真的跌倒了一百次，也終究會有第一百零一次站起來的勇氣?！彼裕幢闱巴毡拘鼙敬髮W交流訪問期間有身在異鄉(xiāng)、苦其心志的時刻，高鑫最終銘記的也只會是導師的諄諄教誨，以及如何大力推動行業(yè)發(fā)展，如何有效革新設(shè)備、理論的方法與手段；即便攻讀博士研究生的3年中，整整耗費了2年用于歸納、梳理文獻和反復做實驗，他也沒有急于求成，為了“成績”而隨意發(fā)表學術(shù)文章。“我相信合理的量變積淀充足以后，一定可以達成飛躍性的質(zhì)變?！备喏握f。

如今，高鑫依舊獻力于北京理工大學機電學院沖擊波物理與化學實驗室陳鵬萬教授帶領(lǐng)的科研主力軍中，這個隸屬于爆炸科學與技術(shù)國家重點實驗室的平臺承接著他幾乎所有的科研夢想：材料的沖擊改性、合成與加工，材料的沖擊變形、斷裂與破壞、含能材料力學行為、損傷與安全性，爆炸與沖擊問題的數(shù)值模擬……未來，他立志與業(yè)內(nèi)同仁一起，在我國材料革命的浪潮中逐波挽浪、破風而行。