氫與氮，未來的夢想能源

鄭惇

電影《星際穿越》中，地球不再適宜人類生存，為使人類文明得以延續(xù)，美國宇航局提出了兩個計劃。A計劃是人類太空移民；B計劃是尋找宜居星球，將主人公庫珀所在飛船上的人類生殖細胞培育出新人類，繼續(xù)人類文明。撇開電影的結(jié)局不談，這兩個計劃有一個共同之處，就是需要飛船，飛船要飛那么遠，那么久，燃料儲備一定要充足。

目前，科學家們致力于研究含能材料。含能材料廣義上指蘊含有大量可釋放化學能的一類物質(zhì)，主要類別包括發(fā)射藥、推進劑、炸藥、煙火劑等。隨著科學技術的發(fā)展，越來越多的新型含能物質(zhì)或復合物被發(fā)掘，也逐漸被納入含能材料的范疇之中。所以，現(xiàn)代的含能材料更多的是指含有爆炸性基團或含有氧化劑和可燃物，能獨立地進行化學反應并輸出能量的化合物或混合物。目前，聚合氮和金屬氫是科學家重點研究的含能材料。

聚合氮氣成固體燃料

聚合氮具有所含能量高、密度高、生成物為清潔的氮氣等優(yōu)點，是未來火箭推進劑的理想燃料，然而，聚合氮并不容易獲得，理論上它的生成條件像形成金剛石那樣苛刻，但是大自然中有金剛石的存在，目前為止，我們卻沒有發(fā)現(xiàn)自然形成的聚合氮。氣態(tài)的氮在6萬個標準大氣壓下才會變成固態(tài)氮，試驗模型表明生成聚合氮需要在將近200萬個標準大氣壓的情況下，并且無法保證聚合氮能夠像金剛石一樣在氣壓減小后還維持穩(wěn)定狀態(tài)。

20世紀90年代，美國國防部高級研究計劃署化學家克里斯特帶領團隊研制全氮化合物，至2002年，他們成功地分離出了五氮陽離子，遺憾的是五氮陽離子難以大量結(jié)合，更別說呈中性的聚合氮分子了。不久前，德國美因茨馬克思·普朗克科學促進協(xié)會研究人員通過激光加熱微型金剛石小室內(nèi)的氮氣，得到立方體偏轉(zhuǎn)結(jié)構聚合氮，其密度是水的3倍，是液態(tài)氫的50倍。理論上，它可以存儲大量的能量。但實際上，它在室溫下極不穩(wěn)定，一旦接觸空氣就會劇烈反應。

最近，南京理工大學研究人員發(fā)布他們的研究成果：首例五氮唑陰離子鹽的合成。他們的研究成果推動了聚氮化合物應用的進程。

聚合氫氣成金屬

除了聚合氮，金屬氫同樣廣受關注。通常情況下，氫是以氣體形態(tài)出現(xiàn)的，木星的大氣就有82%的氫，但隨著深度的增加，氫逐漸變?yōu)橐簯B(tài)，在木星內(nèi)部的更深處，氫在高溫高壓的情況下會變成金屬氫。

據(jù)預測，金屬氫儲藏的能量是烈性炸藥TNT的50倍。相比之下，金屬氫的生成條件沒有聚合氮那么苛刻?，F(xiàn)在，科學家已經(jīng)意識到，金屬氫可能在常溫常壓下仍然能維持穩(wěn)定。2017年，哈佛大學教授伊薩克·席爾瓦拉和他的團隊成功制成金屬氫，這是地球上唯一一塊金屬氫樣品，被稱為“無與倫比的成就”。然而，這塊金屬氫的地球之旅是短暫的，由于操作失誤，這塊唯一的金屬氫消失了！這塊金屬氫過快的消逝，使得對于它的品質(zhì)、特性、形態(tài)以及是否便于儲存都還不得而知。這也引起了一些專家的質(zhì)疑，表示只有能夠重復這項實驗時他們才會承認這一成果。

不管怎樣，科學家們共識是，金屬氫值得放手一搏，如果確定它能夠在常溫常壓下維持穩(wěn)定，那么它的應用前景十分廣闊。尤其是應用于航天領域，作為未來星際航行的燃料是非常值得期待的。

無論是聚合氮還是金屬氫，都有一個共同點：環(huán)境友好。無論是氮氣還是氫氣都是清潔氣體。我們期待著它們的成功運用，這將是一次里程碑式的飛躍。endprint