高能材料微觀理論研究中的分與合

羅貫中在《三國(guó)演義》開(kāi)篇中寫道“天下大勢(shì)，分久必合，合久必分”，概括的是朝代更換，適用于人類社會(huì)。我們以為，這也符合自然科學(xué)發(fā)展的規(guī)律和大勢(shì)。而且分中有合，合中有分；分合有序，天地永恒；分合失度，后果堪憂。本文以火炸藥、理論與計(jì)算化學(xué)的發(fā)展史，以及近幾十年“量子炸藥化學(xué)”的研究經(jīng)歷，對(duì)這些觀點(diǎn)略加說(shuō)明。

一、 火炸藥分與合的發(fā)展史

縱觀千余年，火炸藥大體可分為三個(gè)發(fā)展期，構(gòu)成一部分與合的發(fā)展史。

1.黑火藥時(shí)期(從9或10世紀(jì)到19世紀(jì)初)

將近一千年，人類所使用的爆燃物，從中國(guó)流傳到全世界都是黑火藥。黑火藥由硫磺、硝石(硝酸鉀)和木炭三者混合而成。三種組分性能各異，分別使用一段時(shí)間后，聰明的祖先發(fā)明黑火藥，顯現(xiàn)“分久必合”；黑火藥兼具燃燒發(fā)射和爆炸摧毀功能，既是火藥，又是炸藥，取決于如何配比和使用。足見(jiàn)原本炸藥與火藥并非嚴(yán)格分家的，“合久必分”法則促使二者越分越細(xì)。

2.近代火炸藥(從19世紀(jì)中期到20世紀(jì)80年代)

單體炸藥的合成、混合炸藥和火藥的配方是這一時(shí)期的鮮明特征。例如硝基化合物TNT和苦味酸(PA)、硝胺化合物黑索今(RDX)和奧克托今(HMX)等相繼問(wèn)世，它們分別在第一和第二次世界大戰(zhàn)中發(fā)揮威力?；旌险ㄋ幱绕涫歉呔畚镎辰Y(jié)炸藥(PBX)的發(fā)展，利于加工成型和安全使用，使炸藥品種大增。用于槍炮的火藥從單基、雙基發(fā)展為三基和硝胺發(fā)射藥；用于火箭的火藥則從改性雙基推進(jìn)劑直至硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推進(jìn)劑等，均基于化學(xué)學(xué)科的發(fā)展和推動(dòng)，展現(xiàn)著“分久必合，合久必分”的大勢(shì)?；瘜W(xué)是火炸藥學(xué)最重要的基礎(chǔ)，分解與合成是最基本的化學(xué)反應(yīng)，最生動(dòng)地展現(xiàn)著自然界的分中有合，合中有分現(xiàn)象。一個(gè)宏觀反應(yīng)包含許多基元反應(yīng)，更可細(xì)分為許多態(tài)-態(tài)反應(yīng)。高分子化學(xué)的發(fā)展，極大地推進(jìn)PBX、發(fā)射藥和推進(jìn)劑的發(fā)展；分子間和表面作用的研究，則促成從分子向晶體和復(fù)合材料的拓展。

3.當(dāng)代火炸藥(從20世紀(jì)80年代至今)

這一期間，世界各國(guó)競(jìng)相追求高能量密度材料(HEDM)，核心是高能量密度化合物(HEDC)。合成HEDC，通過(guò)添加高聚物粘結(jié)劑和其它增塑劑、鈍感劑等助劑，形成HEDM配方。合成和配方雖依然是基本內(nèi)涵，但當(dāng)代HEDC/HEDM的合成與配方已具有鮮明的特征，這就是理論、模擬與實(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)并緊密結(jié)合。

這一時(shí)期，量子力學(xué)(QM)或量子化學(xué)(QC)經(jīng)50年發(fā)展，已進(jìn)入全面應(yīng)用階段。量子炸藥化學(xué)同時(shí)應(yīng)運(yùn)而生(肖鶴鳴. 硝基化合物的分子軌道理論. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1993.)，理論與計(jì)算化學(xué)已成為闡明和指導(dǎo)HEDC/HEDM結(jié)構(gòu)-性能研究和設(shè)計(jì)的重要手段。

在實(shí)驗(yàn)方面，美國(guó)人合成六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)、N5+和八硝基立方烷(ONC)；俄國(guó)人合成3，3′-二硝基偶氮氧化呋咱類化合物，都是當(dāng)代HEDC的典型。其實(shí)，早在20世紀(jì)80年代，我國(guó)就合成一些環(huán)脲硝胺(如662、7201等)化合物，密度大，爆速高，應(yīng)是真正的HEDC。當(dāng)前，含CL-20的HEDM配方已實(shí)際使用，火藥與炸藥相互交融，其嚴(yán)格界限已經(jīng)打破。計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展和應(yīng)用，極大地推進(jìn)了理論與計(jì)算化學(xué)的分分合合和發(fā)展應(yīng)用，我國(guó)對(duì)HEDC/HEDM的理論和模擬研究處于國(guó)際前沿和領(lǐng)先地位(肖鶴鳴. 高能化合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì). 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004；肖鶴鳴，許曉娟，邱玲. 高能量密度材料的理論設(shè)計(jì). 北京：科學(xué)出版社，2008；朱衛(wèi)華，王桂香，貢雪東，肖鶴鳴. 高能化合物的分子設(shè)計(jì). 北京：科學(xué)出版社，2014；朱衛(wèi)華，肖鶴鳴. 高能晶體量子化學(xué). 北京：科學(xué)出版社，2012；肖繼軍，朱衛(wèi)華，朱偉，肖鶴鳴. 高能材料分子動(dòng)力學(xué). 北京：科學(xué)出版社，2013.)。

二、 理論與計(jì)算化學(xué)中的分與合

下圖展示了一些學(xué)科或重要理論方法的分與合；其中量子力學(xué)興起和“經(jīng)典”與“量子”的細(xì)分，歷經(jīng)百余年，成就了許多物理或化學(xué)家獲得諾貝爾獎(jiǎng)；直到20世紀(jì)90年代，分久必合，核和電子自由度在虛擬空間的統(tǒng)一考慮，使得DFT與經(jīng)典MD合為從頭算MD；緊接著各半經(jīng)驗(yàn)量子MD方法相應(yīng)建立，體現(xiàn)合中有分，分中有合。

三、 量子炸藥化學(xué)研究——分合有序示例

過(guò)去的三、四十年，量子炸藥化學(xué)研究，遵循分合大勢(shì)，書(shū)寫分合歷史。以南京理工大學(xué)為例，研究對(duì)象從硝基(含硝胺、硝酸酯)類到疊氮類(肖鶴鳴，李永富. 金屬疊氮化物的能帶和電子結(jié)構(gòu). 北京：科學(xué)出版社，1997.)和唑類(肖鶴鳴，陳兆旭. 四唑化學(xué)的現(xiàn)代理論. 北京：科學(xué)出版社，2000.)等多類HEDC，從它們的分子、晶體到復(fù)合材料，以及高能體系中的分子間相互作用(肖鶴鳴，居學(xué)海. 高能體系中的分子間相互作用. 北京：科學(xué)出版社，2004.)，運(yùn)用的手段主要是理論和模擬方法，揭示結(jié)構(gòu)與物理、化學(xué)和爆炸性能之間的規(guī)律聯(lián)系。

以近十年的工作為基礎(chǔ)，我們首次提出HEDC能量與穩(wěn)定性相結(jié)合的定量標(biāo)準(zhǔn)以及簡(jiǎn)便計(jì)算方法，系統(tǒng)研究籠狀和氮雜環(huán)硝胺化合物的分子、晶體和復(fù)合材料(PBX)的結(jié)構(gòu)、性能(爆炸、安全、相容性和力學(xué)性能)，并進(jìn)行理論設(shè)計(jì)(肖鶴鳴，許曉娟，邱玲. 高能量密度材料的理論設(shè)計(jì). 北京：科學(xué)出版社，2008.)；這是以先前三十年QM和MD計(jì)算/模擬方法和多類高能化合物、混合物研究為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)分久必合的結(jié)晶。而最新出版的三部學(xué)術(shù)專著，則是在2008年著作的基礎(chǔ)上，對(duì)多類多系列高能分子、高能晶體和高能復(fù)合材料，分別地進(jìn)行了多年的詳細(xì)具體、深入細(xì)致的結(jié)構(gòu)-性能研究和設(shè)計(jì)，發(fā)表數(shù)百篇學(xué)術(shù)論文，培養(yǎng)數(shù)十位碩博研究生，造就多位學(xué)術(shù)帶頭人，實(shí)現(xiàn)了該三層次結(jié)構(gòu)-性能科教工作的合久必分。2008年《高能量密度材料的理論設(shè)計(jì)》整體上是“合”，但合中有分： 分子、晶體和材料及其結(jié)構(gòu)、性能和設(shè)計(jì)，還是分別研究和闡述的。2012年《高能晶體量子化學(xué)》、2013年《高能材料分子動(dòng)力學(xué)》和2014年《高能化合物的分子設(shè)計(jì)》三部書(shū)整體上是分，但局部也有合，如每部書(shū)都對(duì)安全性(感度)問(wèn)題進(jìn)行綜述，通過(guò)總結(jié)和升華，體現(xiàn)分中有合，例見(jiàn)撞擊感度的量子化學(xué)判據(jù)綜述文章(Chen Z. X., Xiao H. M. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2014, 39: 487-495.)?？傊?，在科教活動(dòng)中，我們順應(yīng)分久必合，合久必分之大勢(shì)，正確認(rèn)識(shí)和處理分中有合，合中有分的規(guī)律和細(xì)節(jié)；科學(xué)有序地進(jìn)行分解剖析，綜合歸納，即從哲學(xué)高度正確地加以指導(dǎo)，所以有利于快出人才，多出成果。

把分合大勢(shì)和分合法則推廣于整個(gè)自然界和人類社會(huì)，若能審時(shí)度勢(shì)，分合有序，管控有度，則可實(shí)現(xiàn)天人合一，共同發(fā)展，和諧發(fā)展；反之，如果違背歷史發(fā)展規(guī)律，失度無(wú)序放任地進(jìn)行分與合，疏于管控，小則出實(shí)驗(yàn)和爆炸事故，中則破壞環(huán)境，斷送友好持續(xù)發(fā)展，大則引發(fā)大戰(zhàn)，導(dǎo)致天人共憤。