尋找威力更猛的炸藥

石無魚

“Boom！”隨著一聲巨響，2008年格魯吉亞薩凡納州的一家煉糖廠頃刻間灰飛煙滅。這次爆炸導(dǎo)致14人喪生。

你猜這起事故的元兇是什么？糖！沒錯，是那吃起來甜甜的玩意兒！

恐怕很少有人知道，糖是一種爆炸物。它的爆炸威力甚至是等重TNT的四倍。這起爆炸就是精煉細糖粉不小心引燃后發(fā)生的。

幸運的是，在正常情況下，需要很多細糖粉堆在一起才可能引爆，所以，對你家櫥柜里的那點糖，你就放一百個心吧。

從黑火藥到黃色炸藥

火藥是我國古代的四大發(fā)明之一。早在一千多年以前，我們的祖先就開始使用黑火藥了。黑火藥中起爆炸作用的成分是硝石（化學(xué)名叫硝酸鉀）。但直到17世紀(jì)末，英國的科學(xué)家才通過實驗搞清楚黑火藥的工作原理。自那以后，人類尋找更好的炸藥的努力就沒有停止過。

繼硝石之后，為早期爆破手們青睞的炸藥，是硝化甘油。但硝化甘油臭名昭彰的一點是它非常不穩(wěn)定，只要給予一點輕微的沖擊，就會爆炸。歷史上，人們?yōu)榱私捣?，想了很多辦法，也付出了生命的代價。直到1864年，瑞典化學(xué)家艾爾弗雷德·諾貝爾的硝化甘油工廠發(fā)生爆炸，在爆炸中他自己的弟弟喪生之后，他繼續(xù)頑強地通過試驗才發(fā)現(xiàn)，將硝化甘油與硅藻土混和，可以制造出一種雖然爆炸性能稍差，但更干燥、更安全的版本。這種炸藥因含有硅藻土而顯黃色，所以叫黃色炸藥。改進后的炸藥很快就被用于爆破礦井、隧道，為修建鐵路和運河開山辟路，使得諾貝爾成為了一代富豪。

改進后的炸藥安全性能是提高了，但與此同時，爆炸威力卻削弱了，遠不及硝化甘油。之后研制出來的TNT等常規(guī)炸藥，雖然安全性能不斷提高，但爆炸威力卻提高得十分有限，滿足不了各方面越來越高的要求。

對威力更猛的爆炸物的需求

對威力更猛的爆炸物的需要，首先來自軍事上的用途。核彈當(dāng)然是威力巨大又極具破壞性的，但大家都知道，核彈破壞性太大，而且有放射性污染，在局部戰(zhàn)爭中是不能輕易使用的。當(dāng)前，美軍配備的威力最猛的常規(guī)炸彈叫MOAB，它有“炸彈之母（mother of all bombs）”之稱。它內(nèi)含8噸多的炸藥，可以摧毀非常堅固的目標(biāo)或者大范圍消滅地面部隊和裝甲武裝。2017年，美軍在阿富汗戰(zhàn)場上曾經(jīng)用它來對付圣戰(zhàn)分子。

但是，軍隊還希望將來用微型炸彈裝備小型無人機，要求炸彈重量輕，但威力又不輸于大型炸彈，而現(xiàn)有的常規(guī)炸藥已滿足不了要求。

如果軍事上的需求讓人膽戰(zhàn)心驚，那么讓我們再轉(zhuǎn)向人類另一個較為和平的抱負——太空探索。我們知道，地球上萬物都受到引力的制約，而擺脫地球引力的束縛需要很大的推力。早在1903年，在俄羅斯科學(xué)家齊奧爾科夫斯基推導(dǎo)出火箭方程之后，人們就一直在做這方面的努力。火箭科學(xué)需要解決的核心問題是，如何靠向下噴射爆炸性膨脹的氣體產(chǎn)生反作用力，來推動火箭升空。

然而，這里遇到了一個困難：你想要產(chǎn)生更大的推力，需要更多的燃料；但是攜帶的燃料越多，需要的推力也就越大。這個矛盾意味著，要想讓火箭飛入太空，無論你使用多少常規(guī)炸藥都無濟于事。目前最先進的火箭采用液氫和液氧混合劑做燃料，這種燃料的能量密度更大。但即便如此，也只有2%的發(fā)射重量是有效負荷（火箭運送的用于直接執(zhí)行特定任務(wù)的設(shè)備和系統(tǒng)），超過80%全是燃料，而且火箭只有在飛行中不斷減輕重量，才能到達預(yù)定軌道。這就是為什么需要多級火箭的原因，因為它在升空時可以及時把空的燃料箱拋掉，以減輕負荷。

如果找到一種更好的燃料，同樣大小的火箭就可以把有效負荷大大提高，這將極大地節(jié)約衛(wèi)星發(fā)射成本，為將來載人飛船來往于地球與火星或月球的基地提供便利。有了更好的燃料，甚至火箭和飛行器都不需要設(shè)計成多級的了。

正是這些需求，推動著世界各國的科學(xué)家去尋找新一代“極具破壞性的高能材料”，它的爆炸威力要超過以往任何一種炸藥。

不可思議的

“魯伯特王子之淚”

我們先來看一個蝌蚪形的玻璃玩意兒。它的頭部是一顆水滴形的玻璃球，后面拖著一條長長的、彎彎繞的尾巴。這玩意看似很普通、很不起眼，但它有一個好聽的名字，叫“魯伯特王子之淚（Prince Ruperts drops）”，是以十七世紀(jì)英國國王查理二世的表兄魯伯特王子的名字命名的，因為是王子最先把它帶到英國的。

為什么它能得到這個殊榮呢？因為它是一種極其不可思議的東西！這個玻璃玩意兒，你用錘子打它，非但打不碎，錘子反而彈跳起來；但如果你把它的尾巴折斷，它就自己瞬間碎成玻璃粉末了。這個過程，在網(wǎng)上有視頻演示，感興趣的讀者可以找來看。

物理學(xué)家對此的解釋是：“魯伯特王子之淚”是由熔融的玻璃掉進冷水里快速冷卻形成的。在形成過程中，儲存了巨大的應(yīng)變能（由內(nèi)部張力形成的能量，比如上緊的發(fā)條也具有很大的應(yīng)變能），所以連錘子砸下去都要反彈起來，就像砸到一個脹鼓鼓的東西上一樣；但它的尾巴被折斷之后，就好像氣球漏氣了一樣，里面的應(yīng)變能瞬間被釋放出來，產(chǎn)生的沖擊波讓它自己分解成了粉末。

這個過程已經(jīng)具備了爆炸的特點，只不過，爆炸力不是來自化學(xué)能的釋放，而是來自機械能（應(yīng)變能）的釋放。

燒鉆石當(dāng)燃料——不現(xiàn)實

在美國陸軍研究實驗室，珍妮·詹金斯和她的同事一直在用納米鉆石做同樣的嘗試。鉆石只能在高溫、高壓的極端條件下才能形成，在自然界中，它們一般形成于地球地幔深處。鉆石是碳的一種“亞穩(wěn)態(tài)”結(jié)構(gòu)，就是說，它雖然在我們有生之年看起來是穩(wěn)定的，但其穩(wěn)定性比起碳的另一種存在形式——石墨還是稍差一些；如果從宇宙的時間尺度上看，以數(shù)億年計，它們最終都會碎裂成更穩(wěn)定的石墨，所以什么“鉆石恒久遠，一顆永流傳。”之類的話別信！

從物理學(xué)的角度來看，可以把鉆石看作是內(nèi)部儲存了大量應(yīng)變能的石墨。不過，這個應(yīng)變能是不容易釋放出來的，所以鉆石才相當(dāng)穩(wěn)定。

但如果鉆石非常小，碎裂起來會更容易些。在臨床上，醫(yī)學(xué)研究人員已經(jīng)使用納米鉆石來殺死癌細胞。他們讓納米鉆石緊貼腫瘤，然后用紫外線照射，這會讓它們迅速膨脹碎裂，從而達到炸死癌細胞的目的。

珍妮·詹金斯等人所做的實驗則稍有不同，他們不是讓納米鉆石碎裂爆炸，而是把許多納米鉆石塞進類似足球烯的六角形碳結(jié)構(gòu)“網(wǎng)兜”里，施以高壓；然后用高功率激光把足球烯爆破；于是，富有彈性的足球烯在高壓下所儲存的應(yīng)變能瞬間被釋放出來，形成第一次爆炸（這一次爆炸是機械能的釋放）。

在爆炸中，沖擊波會讓足球烯內(nèi)的納米鉆石像爆米花一樣以極高的速度濺射出來。它們與空氣發(fā)生摩擦之后，會迅速燃燒，從而產(chǎn)生高溫、高壓的氣體；氣體急劇膨脹，形成第二次爆炸（這一次是化學(xué)能的釋放）。

這種爆炸產(chǎn)生的當(dāng)量，遠高于目前火箭燃料——氫氧混合劑燃燒時產(chǎn)生的當(dāng)量，所以從理論上說，納米鉆石是未來做火箭燃料的理想材料。

不過有人指出，要實現(xiàn)這一點，需要高功率的激光來引爆；而如果要用于火箭燃料這樣的規(guī)模上，需要的激光功率已超乎目前的技術(shù)水平，所以這一想法是不現(xiàn)實的。依我看，單單“燒鉆石”這個念頭，就已經(jīng)夠不現(xiàn)實了。

“現(xiàn)代版的硝化甘油”

其他一些人倒是現(xiàn)實得多。他們不想出奇招，他們只想老老實實沿著老路探索。那么，什么是老路呢？

我們目前已知的化學(xué)炸藥的主要成分不論是硝石（硝酸鉀）、硝化甘油還是TNT（三硝基甲苯）都有一個特點，即含有大量的氮元素。為什么這些炸藥如此青睞氮呢？因為在所有分子中，唯有氮分子是由兩個氮原子通過三個化學(xué)鍵連接成的。我們知道，能量儲存在化學(xué)鍵里，一般來說，化學(xué)鍵越多，儲存的能量也越多，當(dāng)這些化學(xué)鍵斷裂時，就會釋放出可觀的能量。因氮分子化學(xué)鍵的這個特性，現(xiàn)有的炸藥中氮含量對爆炸威力有不小的影響，含氮量是用來衡量炸藥威力的一項重要指標(biāo)。

所以，按這個邏輯，多氮化物是威力更猛的理想候選者：取一群氮原子，將它們連接到一個大分子上，然后需要時把它們的化學(xué)鍵打斷……于是Boom！理論上，多氮化物的威力應(yīng)該是TNT的5倍以上。

這個設(shè)想還是很腳踏實地的吧？不過，制造多氮化物也并非易事。

理論表明，它們像鉆石一樣，也只有在高溫、高壓的極端條件下才能形成。在大約6萬個大氣壓下，氣態(tài)氮將變成固態(tài)?？墒牵M一步制造出多氮化物，模型顯示，至少需要大約200萬個大氣壓！而且還不能保證這種多氮化物在壓強降低時還能穩(wěn)定存在。

美國國防高級研究計劃署首席科學(xué)家克里斯特領(lǐng)導(dǎo)的一個小組自上世紀(jì)90年代以來，一直在研究如何制造多氮化合物。2002年，他們成功分離出一種有著5個氮原子的陽離子N5+。但要想往前繼續(xù)走一步，合成純凈、電中性的多氮化物分子，就困難重重了。

然而，2017年早些時候，我國南京理工大學(xué)胡炳成教授領(lǐng)導(dǎo)的一個小組報道，他們合成了數(shù)量相當(dāng)可觀的一種多氮化物——全氮陰離子鹽。這種全氮陰離子鹽的分解溫度高達116.8℃，所以在常溫下很穩(wěn)定，這就為室溫下的應(yīng)用提供了便利。更為可貴的是，其合成原料價格相當(dāng)?shù)土?/p>

緊隨其后，美國陸軍研究實驗室的珍妮·詹金斯等人又在能產(chǎn)生巨大高壓的金剛石壓腔中，合成出另一種電中性的多氮化物。這種多氮化物是一種藍色液體，密度是水的3倍，是液態(tài)氫的50倍。理論上，這種物質(zhì)在同體積下，可以儲存更多的能量。但實際應(yīng)用中，該液體在室溫下是不穩(wěn)定的，與空氣接觸會發(fā)生爆炸。目前這種多氮化物總共只有3克，存放在77K的低溫環(huán)境下。它的爆炸威力還無法測試，因為每次測試，至少要10克，而且還要重復(fù)多次。理論上，它的爆炸威力可達到TNT的3～10倍。

可以說，這是一種現(xiàn)代版的硝化甘油——威力巨大，但直接用起來又太危險。

威力最猛的“綠色炸藥”

也許，多氮化物還不是威力最猛的炸藥。

早在1935年，科學(xué)家就預(yù)言，氫還有一個金屬態(tài)，叫金屬氫。像鉆石和多氮化合物，金屬氫只能在巨大的溫度和壓力下形成。自然界中，木星等氣態(tài)巨行星的中心可能具備產(chǎn)生金屬氫的條件。

科學(xué)家預(yù)測，金屬氫一旦形成，即使在室溫和常強下，也能處于亞穩(wěn)態(tài)，保持金屬的特征；而最重要的是，當(dāng)它升華（從固態(tài)直接變成氣態(tài)）時，體積急劇膨脹，能產(chǎn)生劇烈的爆炸。每1克金屬氫的爆炸威力是同質(zhì)量TNT的50多倍。

2017年早些時候，美國哈佛大學(xué)伊薩克·西爾維拉領(lǐng)導(dǎo)的小組聲稱，他們利用一個金剛石壓砧壓縮固態(tài)氫，制造出一點點金屬氫。樣品直徑大約15微米，厚幾微米。不幸的是，壓砧突然失靈，結(jié)果剛造出來的微量樣品，就消失不見了。當(dāng)然，其他研究人員對這一說法表示懷疑，除非該團隊重復(fù)出實驗。

就算制造出金屬氫，搞清楚它在室溫和常強下的性質(zhì)，對于它的大規(guī)模制造，也至關(guān)重要。

如果金屬氫在常壓下是亞穩(wěn)態(tài)，像鉆石一樣一旦形成就不容易分解，那么你一開始都不需要制造出很多；如果在室溫下有一個樣品，你就有了金屬氫的“種子”，你只要不停地充氫氣就可以讓樣品生長，因為它的表面可以吸附、凝聚更多的氫原子。否則，單靠實驗室制造出那么一點量，是無法達到實際應(yīng)用的目的。

能否制造成金屬氫？金屬氫在常壓下是否穩(wěn)定？目前這一切都還是懸念，我們且把它留給科學(xué)家去解決。對我們來說，如果金屬氫能做火箭燃料，前景是非常誘人的。

首先，它是迄今除核彈外，科學(xué)家所能想象的威力最猛的炸藥。理論上，其威力能達到TNT的35倍左右，這個用處就非常大了。我國目前威力最大的3噸級巡航導(dǎo)彈只能由轟6K戰(zhàn)略轟炸機掛載。而一旦爆炸威力提高35倍，意味著在同等威力的情況下，巡航導(dǎo)彈的重量可以縮小到原先的1/35，3噸級的巡航導(dǎo)彈在使用金屬氫以后，甚至可以將重量縮小到100千克以內(nèi)。

其次，如果使用金屬氫做火箭燃料，僅需要百噸級的小型火箭就能達到數(shù)噸的投送能力，屆時不需要固定的發(fā)射塔，用車輛載著就可以隨時隨地發(fā)射，就能解決絕大多數(shù)衛(wèi)星發(fā)射的問題，甚至可以讓單級火箭突破大氣層，大大減輕人類探索太空的難度。

最后一點，它還是一種非常環(huán)保的“綠色炸彈”和燃料。普通的火箭燃料，像高氯酸銨，會產(chǎn)生有毒和有腐蝕性的鹽酸等副產(chǎn)品，所以在發(fā)射臺區(qū)，每發(fā)射一次就必須清洗一次。納米鉆石燃燒之后變成二氧化碳，二氧化碳雖然無毒，但卻是溫室氣體。多氮化物燃燒之后也會釋放有毒氣體。但金屬氫燃燒，產(chǎn)生的只是水蒸氣。

爆炸是怎么回事？

我們生活中所使用的炸藥，其威力來自巨大的化學(xué)能在瞬間的釋放。這些化學(xué)能原先是儲存在分子的化學(xué)鍵之中的，當(dāng)化學(xué)鍵斷裂時（比如燃燒），釋放出大量的熱能并產(chǎn)生高溫、高壓氣體，它們以極高的功率對外界做功，對周圍物質(zhì)起拋擲、壓縮等作用；如果氣體膨脹速度比音速快，就會產(chǎn)生強大的沖擊波，促使固體碎片高速沖出，以巨大的力量打擊人或建筑。

爆炸不限于炸藥，事實上，機動車內(nèi)燃機汽油、柴油的燃燒，也屬于爆炸；電火花點燃油蒸汽之后，內(nèi)燃機內(nèi)的氣體急劇膨脹，推動滑桿做功，滑桿再驅(qū)動車輪向前滾動，也是爆炸。此外，火箭也依靠燃料爆炸來升空。這些爆炸都是通過劇烈燃燒，釋放化學(xué)能來實現(xiàn)的。

但爆炸也并非只有依賴化學(xué)能釋放這一途徑。像原子彈、氫彈的爆炸，靠的是核能的瞬間釋放；而有些爆炸，依賴的甚至僅僅是機械能的瞬間釋放?？傊灰獫M足“巨大的能量在極短的時間內(nèi)釋放”這一點，就可以說是爆炸，至于釋放的是什么能量，倒不重要。

拓展閱讀

炸藥簡史

炸藥源于我國。至遲在唐代，我國已發(fā)明黑火藥，其有效成分是硝酸鉀，這是世界上最早的炸藥。宋代，黑火藥已被用于戰(zhàn)爭，它需要明火點燃，爆炸威力也不大。1831年，英國人比克福德發(fā)明了安全導(dǎo)火索，為炸藥的應(yīng)用創(chuàng)造了方便。威力較大的黃色炸藥源于瑞典，由瑞典化學(xué)家、工程師和實業(yè)家諾貝爾發(fā)明。

1846年，意大利人索布雷羅合成硝化甘油，這是一種爆炸力很強的液體炸藥，但使用極不安全。1859年后，諾貝爾父子三人對硝化甘油進行了大量的研究，用“溫?zé)岱ā苯捣讼趸视?，?862年建廠生產(chǎn)。但投產(chǎn)后不久，工廠即發(fā)生爆炸，父親受了重傷，弟弟被炸死，政府禁止重建這座工廠。諾貝爾為減少搬動硝化甘油時發(fā)生危險，只好在湖面上一支駁船上進行實驗。一次，他偶然發(fā)現(xiàn)，硝化甘油可被干燥的硅藻土所吸附，而這種混合物可安全運輸。1865年，他發(fā)明雷汞雷管，與安全導(dǎo)火索合用，成為硝化甘油炸藥等高級炸藥的可靠引爆手段。經(jīng)過不懈地努力，他終于研制出運輸安全、性能可靠的黃色炸藥——硅藻土炸藥。隨后，又研制出一種威力更大的同一類型的炸藥——爆炸膠。約10年后，他又研制出最早的硝化甘油無煙火藥——彈道炸藥。

其他一些常規(guī)炸藥還有TNT、黑索金和C4塑膠炸藥。

許多人將TNT（三硝基甲苯）視為炸藥的同義詞，實際上，TNT只是應(yīng)用最廣的爆炸物。它是1863年由德國化學(xué)家威爾勃蘭德發(fā)明的一種威力很強而又相當(dāng)安全的炸藥，在20世紀(jì)初開始廣泛用于裝填各種彈藥和進行爆炸。在二戰(zhàn)結(jié)束前，TNT一直是綜合性能最好的炸藥，被稱為“炸藥之王”。TNT爆炸威力是等重黑火藥的14倍。

黑索金是1899年由德國人亨寧發(fā)明的。在原子彈出現(xiàn)以前，它是威力最大的炸藥，又被稱為“旋風(fēng)炸藥”。在二戰(zhàn)之后，曾取代TNT登上“炸藥之王”的寶座。

C4塑膠炸藥（簡稱C4），是一種高效的易爆炸藥，用火藥（TNT、白磷等高性能爆炸物）與塑料混合制成。如果外邊附上黏著性材料，就可以像口香糖那樣牢牢地黏附在上面，因此被稱為“殘酷的口香糖”。這種炸藥能輕易躲過X光檢查，未經(jīng)特定嗅覺訓(xùn)練的警犬也難以識別它。正是這兩點，讓恐怖分子對它青眼有加，近幾年來已發(fā)生數(shù)起用C4塑膠炸藥搞暗殺的事件，如2013年在伊拉克的一次宴會上，曾有女殺手用C4塑膠炸藥制造了一起暗殺事件。

金剛石壓腔

這是實驗室制造高壓的一種小型設(shè)備。它由兩顆尖對尖的金剛石組成。將樣品放入兩個尖之間，然后不斷讓兩個尖之間的距離縮小。由于兩顆金剛石接觸面小，而外界加壓的部分面積大，最后壓力全集中在了金剛石的兩個尖尖上。這樣可使樣品受壓部分獲得大約100萬個大氣壓的高壓——這是目前人力能獲得的高壓的極限。