爆炸驱动下的材料革命——记北京理工大学冲击波物理与化学实验室副教授高鑫

郑 心

中华人民共和国成立初期，随着中国科学院力学所篮球场上一声响亮的爆破声，“爆炸力学”专业应运而生。这个由钱学森先生亲自命名、郑哲敏院士倾尽心力创立并延续的学科，在其后的几十年里持续吸引着大批学子的目光与热忱，北京理工大学机电学院冲击波物理与化学实验室副教授高鑫便是其中一员。薪火相传间，一个个里程碑式的科学成果向世人证明——爆炸不是仅存于战火硝烟，和平年代下，烟雾散去，浮现在众人眼前的更可以是推进和平和科学的火种，只要有人愿意投身其中，潜心研究，便可以将其中的科学原理发散应用至各行各业，造福于民。

高鑫

“炸”出来的科学灵感

爆炸，本质来说是一种极为迅速的物理或化学的能量释放过程。在此过程中，约束空间内的高能量密度源以极快的速度释放能量，以波的形式向周围扩散，转变为机械功、光和热等能量形态。其最重要的特征是爆炸体和周围介质之间压力差的急剧变化，也是造成令人惧怕的毁灭性后果的根本原因之一。这种高速高压作用下产生的不连续锋的传播还有一个众人相对熟悉的名字：冲击波。

冲击波可对周围物质起破坏、抛掷、压缩等作用，产生巨大的灾害，但却在爆破拆除、矿山开采等领域有广泛的应用。除此之外，爆炸产生的瞬间高温、高压作用，在天体物理、地质勘探、材料合成及加工、食品加工、生物医学等前沿研究方面也有广泛应用。如今，利用冲击波为驱动的基因物质注射、药物投送，也都是由炸弹“炸”出来的科研灵感。

2020年是高鑫回国加入北京理工大学冲击波物理与化学实验室的第一个年头。彼时的他从日本熊本大学脉冲功率科学研究所满载新知而归，对材料的认知实现了进阶。求学时，二维材料以广阔的应用前景和无限潜力持续吸引着高鑫的注意。在他看来，虽然安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫等人于2004年通过机械剥离的方式，从高取向热解石墨材料表面剥离出了单原子层石墨烯，由此标志着材料科学研究迈入了二维时代，但诸多已制备的二维材料中，黑磷烯材料带隙基于层数可调，固然有高开关比和电子迁移率等多重优势，但却面临制备工艺的不成熟等问题，限制其材料性能及应用的发展。

那么，该如何实现突破性进展？这是高鑫自回国便一直在考虑的问题。经过广泛查阅资料和实验室负责人陈鹏万教授的指导，与冲击波手段相结合的方法被他视作破题的关键，国家自然科学基金青年基金“脉冲放电法制备黑磷烯及其机理研究”也应运而生。“众多的二维材料中，黑磷烯是一种具有直接带隙的新型二维材料，于2014年通过机械剥离、液相剥离等方法成功制备，其分子结构呈蜂窝网状褶皱结构。”这是高鑫深思熟虑后的着力目标，也是我国材料行业未来发展的新希望之一。

目前关于黑磷烯的研究仍处于起步阶段，其制备方法的研究较少且不够成熟，但这之中脉冲放电现象以瞬时功率高、可重复性高，可在极短的时间内形成高温高压的优势或可脱颖而出。为证明这一观点，高鑫带领团队采用丝脉冲放电和液相脉冲放电两种方式分别对黑磷材料进行了实验。他们将纯度达99.9%以上的黑磷粉末制成细棒或细条，结合高速摄影等观测技术，研究脉冲放电制备黑磷烯的机理。

最终，结合反复实验的结果和脉冲放电过程的详尽分析，高鑫团队确定了脉冲放电制备黑磷烯实验参数的阈值区间和黑磷材料脉冲放电特性，为理论计算和数值模拟提供了必要的数据，重点探究冲击波加载条件下，黑磷材料的温度、压力、致密度等因素对黑磷烯形成的影响，完善并提出丝脉冲放电和液相脉冲放电制备黑磷烯的宏观、微观机理。

新的尝试带来了新的突破，但高鑫及团队都没有因此而沾沾自喜、止步不前，他坦言，未来的挑战还在继续，但无论是初出茅庐的学生时代还是当下，他投身科研的初心都从未更改，即厚积科技之力，薄发创新未来。

量变与质变的距离

其实，更早一点认识高鑫的人都会有所感知，大学时代起，这份投身科研、弥补行业所需的拳拳之心便热切跳动在他的胸膛里。虽然与大多数擅长理工科的学生别无二致——择校择专业的因素大多是因为成绩与天赋，但北京化工大学的办学宗旨和历史沿革却也是一众高校里真正吸引他目光的根本元素之一。这所始建之初便将“宏德博学、化育天工”八字箴言奉为圭臬的科学院校，在我国科技发展水平尚未腾飞时，就积极开设了面向高级化工行业需求的本科专业，甚至包括同位素分离、无机盐、国防化工及高能燃料等专业，聚力打造志向宏大、道德高尚，能够变革自然之工巧为人类服务的高水平人才。“用中国方法解决中国问题，书写中国故事。”高鑫通过本科4年的积淀对自己的职业未来做如此理解。也正因为这种态度与规划，研究生时期，凭借不懈努力和优秀成绩，他才会进一步选择到赓续红色基因的北京理工大学继续深造。

“德以明理、学以精工”的校训是北京理工大学校党委对学子怀抱的殷殷期盼，“实事求是，不自以为是”则是老一辈北理工科研者向无数意在知识报国的年轻人提出的基本学术准则。在这里，高鑫固然精进了自己的科研思路，掌握了更精准、扎实的爆炸力学知识，但更重要的是，在遇到导师陈鹏万教授之后，他构建起了自己的科研蓝图和学术理想。“那个时候是我第一次接触到冲击波的物理化学反应。冲击波研究本起于战时，目的是造成令人闻风丧胆的杀伤与破坏，但随着科技、文明的发展，人们对于和平的愿望会越发强烈。所以这种能瞬时产生高功率、高温度的能量源不应该用来互相摧毁，而更应该被运用于新时代背景下的携手共建。易破坏的反面正是坚强与牢固，只要能破解爆炸的机制，我们就有望能制造出牢固不破、抗爆炸的材料。”

罗曼·罗兰在《米开朗基罗传》中曾经言明：“世界上只有一种英雄主义，就是认清生活的真相后依然热爱生活。”而对于科研工作的认知，高鑫一直十分清楚：“在旁人看来，这种日复一日的实验、分析、计算的生活是很无聊的。我们身在其中，还要面对三不五时的熬夜加班、与闲适安逸的作息时间相违背的工作安排，以及探索未知带来的无数次失败，当然也会有被无力感裹挟的时刻，但只要知道自己坚持的是什么，目的地在哪里，就算真的跌倒了一百次，也终究会有第一百零一次站起来的勇气。”所以，即便前往日本熊本大学交流访问期间有身在异乡、苦其心志的时刻，高鑫最终铭记的也只会是导师的谆谆教诲，以及如何大力推动行业发展，如何有效革新设备、理论的方法与手段；即便攻读博士研究生的3年中，整整耗费了2年用于归纳、梳理文献和反复做实验，他也没有急于求成，为了“成绩”而随意发表学术文章。“我相信合理的量变积淀充足以后，一定可以达成飞跃性的质变。”高鑫说。

如今，高鑫依旧献力于北京理工大学机电学院冲击波物理与化学实验室陈鹏万教授带领的科研主力军中，这个隶属于爆炸科学与技术国家重点实验室的平台承接着他几乎所有的科研梦想：材料的冲击改性、合成与加工，材料的冲击变形、断裂与破坏、含能材料力学行为、损伤与安全性，爆炸与冲击问题的数值模拟……未来，他立志与业内同仁一起，在我国材料革命的浪潮中逐波挽浪、破风而行。