爆炸猛烈的高含能材料

編譯 郝雨

起爆藥、發(fā)射藥、火箭助推劑……它們的革新來(lái)自——

什么是高含能材料

自從工業(yè)革命以來(lái)，人類(lèi)對(duì)于高性能炸藥的需求從未停止。在現(xiàn)代科學(xué)的相關(guān)研究中，炸藥通常被稱(chēng)為含能材料。含能材料是一些非常不穩(wěn)定的物質(zhì)，它們?cè)诮?jīng)特定方式刺激后會(huì)迅速生成狀態(tài)穩(wěn)定的產(chǎn)物。由于所生成的穩(wěn)定物質(zhì)的能量遠(yuǎn)低于原本不穩(wěn)定物質(zhì)的能量，因此這些被大量釋放出來(lái)的能量可以破壞周?chē)矬w。合理利用含能材料的這一性質(zhì)，如用炸藥開(kāi)辟山路，可以給人類(lèi)生產(chǎn)生活帶來(lái)極大的好處。

目前被研究得最多的含能材料是高含能材料，它們是能量比常規(guī)炸藥高出至少一個(gè)數(shù)量級(jí)的新型高能物質(zhì)。如今，含能材料的用途絕不僅僅是作為炸藥，還可以用作火箭推進(jìn)劑。美國(guó)當(dāng)年研發(fā)全氮類(lèi)高含能材料的初衷，就是用其取代有毒的肼類(lèi)火箭燃料。

含能材料小歷史

說(shuō)到含能材料，就不得不提它們的“祖師爺”——黑火藥。黑火藥最早記載于東晉的《抱樸子》中。著者葛洪認(rèn)為，將硝石（制作黑火藥的原料）、雄黃、松脂和豬大腸脂肪混合，可以制成一種丹藥，“服之皆令人長(zhǎng)生，百病除”。但隨著對(duì)火藥性質(zhì)的研究不斷深化，人們發(fā)現(xiàn)火藥并無(wú)延年益壽之功，應(yīng)該應(yīng)用它的燃燒性能。公元904 年，南吳太祖楊行密的軍隊(duì)圍攻豫章，“部將鄭義所部發(fā)機(jī)飛火，燒龍沙門(mén)，帶領(lǐng)壯士突火先登入城，焦灼被體”。這是火藥用于軍事的最早記載。

13 世紀(jì)，黑火藥傳入歐洲，隨后統(tǒng)治了軍用武器幾百年。西班牙人手持火繩槍征服了美洲；英國(guó)人又用火炮擊垮了西班牙……黑火藥作為第一種含能材料，深刻地改變了近代戰(zhàn)場(chǎng)。工業(yè)革命開(kāi)始之后，隨著化學(xué)的大發(fā)展，含能材料的種類(lèi)迅速豐富起來(lái)。

煉丹

諾貝爾改良的硝化甘油

19 世紀(jì)，硝化甘油問(wèn)世，這種炸藥在帶來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)硝煙的同時(shí)，也大大加快了工業(yè)建設(shè)。硝化甘油的發(fā)明人是意大利化學(xué)家索布雷洛。他在1847 年率先報(bào)道了硝化甘油的合成，并發(fā)現(xiàn)其爆炸威力相當(dāng)大。然而，硝化甘油極不穩(wěn)定，很容易爆炸，給生產(chǎn)和應(yīng)用帶來(lái)了極不確定的危險(xiǎn)。

1860 年，諾貝爾開(kāi)始改良硝化甘油的制作工藝，力求安全生產(chǎn)。某天，其工廠中的硝化甘油在試制過(guò)程中爆炸，其弟不幸罹難。諾貝爾痛定思痛，最終發(fā)明了用冷水管散熱生產(chǎn)硝化甘油的方法，初步掃除了大批量生產(chǎn)硝化甘油的障礙。然而，硝化甘油的應(yīng)用還面臨另一項(xiàng)阻礙，這種油狀液體受到一定程度的振蕩也容易爆炸，運(yùn)輸硝化甘油的卡車(chē)爆炸的事故在當(dāng)時(shí)屢見(jiàn)不鮮。

1866 年，諾貝爾用硅藻土吸附硝化甘油，將液體炸藥改制成固體炸藥，大幅降低了其感度。關(guān)于硝化甘油，還有一點(diǎn)特別有意思——它能治病！硝酸甘油片能夠擴(kuò)張血管，常用于冠心病和心絞痛的防治，也可用于降低血壓。

還有一種很有名的含能材料——被稱(chēng)為黃色炸藥的苦味酸?？辔端崾且环N黃色晶體。19 世紀(jì)40 年代，人們開(kāi)始用它作染絲的黃色染料，且平平安安地使用了二十多年。1871 年的一天，法國(guó)一家染坊里的工人因打不開(kāi)苦味酸桶而用錘狠砸，這導(dǎo)致桶內(nèi)染料猛烈爆炸，許多人死于非命。這場(chǎng)悲劇讓人們注意到了苦味酸的爆炸性能。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，苦味酸開(kāi)始被大量用作軍事炸藥。1893 年，日本政府摸透了苦味酸的工業(yè)制作方法，進(jìn)而開(kāi)始了大批量生產(chǎn)。在甲午戰(zhàn)爭(zhēng)中，日艦憑借大量基于苦味酸的爆破彈，讓北洋海軍吃盡苦頭。不過(guò)，雖然苦味酸威力大，但也有嚴(yán)重缺陷。它的結(jié)構(gòu)使其呈現(xiàn)出較大酸性，容易腐蝕金屬，生成苦味酸鹽。而苦味酸鹽的感度極高，很容易就——轟?。。?/p>

高含能材料研發(fā)領(lǐng)域的焦點(diǎn)

高含能材料因能量驚人而受到越來(lái)越多國(guó)家的重視，被視為可影響國(guó)家安全的戰(zhàn)略性技術(shù)，成為少數(shù)軍事強(qiáng)國(guó)構(gòu)建常規(guī)威懾力和實(shí)戰(zhàn)能力的一項(xiàng)重要前沿技術(shù)。你可曾想過(guò)，當(dāng)下高含能材料領(lǐng)域的“大明星”居然基于隨處可見(jiàn)的氮元素和氫元素。

全氮類(lèi)物質(zhì)

處理“鹽粒炸彈”（六氟砷酸五氮N5AsF6）時(shí)全身防護(hù)的實(shí)驗(yàn)員

氮是宇宙中最常見(jiàn)的幾種元素之一，幾乎所有生物體內(nèi)都含有氮元素。自然界中的氮元素絕大部分以氮?dú)獾男问酱嬖?。氮?dú)夥浅７€(wěn)定，很難與其他物質(zhì)反應(yīng)生成別的含氮化合物。這是因?yàn)?，氮?dú)庵械牡I是鍵能最高的化學(xué)鍵之一（鍵能越高，代表形成該化學(xué)鍵時(shí)釋放的能量越多，成鍵后的穩(wěn)定性越強(qiáng)）?；谕瑯拥脑?，在涉及含氮物質(zhì)的各類(lèi)化學(xué)反應(yīng)中，氮元素的去向有很大可能是形成氮?dú)?，而且，含氮物質(zhì)越不穩(wěn)定，反應(yīng)就越劇烈，生成氮?dú)獾目赡苄跃驮酱?，釋放的能量也越多。這意味著，含氮量高的化合物作為高含能材料前途可觀。

多年來(lái)，科學(xué)家們一直致力于開(kāi)發(fā)含氮物質(zhì)的這種潛力。他們嘗試讓氮原子在化合物中以極不穩(wěn)定的化學(xué)鍵與其他原子連接，目的是讓其在生成氮?dú)鈺r(shí)爆發(fā)出極大的威力。由于不穩(wěn)定氮原子的存在是這種含能物質(zhì)的基礎(chǔ)，氮元素的比例越大，物質(zhì)的能量密度就越高。

金屬氫

1935 年，英國(guó)物理學(xué)家貝納爾預(yù)言，在一定的高壓下，任何絕緣體都能變成類(lèi)似于金屬的導(dǎo)電體，只不過(guò)不同的材料轉(zhuǎn)變成“金屬”所需的壓力不同。計(jì)算化學(xué)研究結(jié)果顯示，如果氫能以這種“金屬態(tài)”存在，那么其能量密度將比普通TNT 炸藥高30～40 倍。從那時(shí)起，金屬氫的制造就成為各國(guó)爭(zhēng)相開(kāi)拓的技術(shù)高地。

科學(xué)家嘗試用金剛石擠壓固體氫制取金屬氫

目前，科學(xué)家已經(jīng)能夠?qū)⒘讍钨|(zhì)等以前認(rèn)為“絕對(duì)絕緣”的物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電體，卻始終沒(méi)有得到穩(wěn)定的金屬氫樣品。因此，理論預(yù)測(cè)下的金屬氫是否真的能制備出來(lái)，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)是學(xué)界熱議的話(huà)題。然而，部分持樂(lè)觀態(tài)度的科學(xué)家認(rèn)為，太陽(yáng)和太陽(yáng)系中一些大型行星主要就是由這種高壓態(tài)的氫元素構(gòu)成的。例如，木星的最外層是1000 千米厚的氣態(tài)分子氫，次外層是2.4 萬(wàn)千米厚的液態(tài)分子氫，再次層是4.5 萬(wàn)千米厚的液態(tài)金屬氫。

2017 年1 月26 日，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)宣布，他們將氫氣樣本冷卻到了略高于絕對(duì)零度的溫度，在比地球中心壓力還高的極高壓下，用金剛石對(duì)固體氫進(jìn)行壓縮，成功獲得了一小塊金屬氫。在顯微鏡下，金屬氫樣本閃閃發(fā)光，其反射光線(xiàn)的方式符合金屬氫的理論預(yù)期。一個(gè)月后，該團(tuán)隊(duì)又表示，他們用低功率激光器測(cè)量金屬氫的壓力時(shí)，聽(tīng)到了微弱的“咔嗒聲”，這表明世界上首個(gè)金屬氫樣本消失了。因此，有科學(xué)家認(rèn)為，該團(tuán)隊(duì)觀察到的閃光物到底是不是氫還不清楚，其有可能是氧化鋁（因?yàn)榻饎偸襄兞艘粚友趸X），而真正的金屬氫則根本沒(méi)有被研制出來(lái)。

既然金屬氫這么難獲得，為什么人們還要費(fèi)盡心血研制它呢？這是因?yàn)?，金屬氫的制造技術(shù)一旦被人類(lèi)掌握，就會(huì)像當(dāng)年的蒸汽機(jī)那樣，引發(fā)一場(chǎng)席卷整個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的劃時(shí)代革命。例如，目前火箭的主要燃料是液氫，為了確保液氫的低溫環(huán)境，科學(xué)家必須把火箭做成一個(gè)巨大的熱水瓶似的容器。而相同質(zhì)量的金屬氫的體積僅是液氫的1/7，如果使用了金屬氫，火箭就可以制造得靈巧、小型。又由于金屬氫蘊(yùn)含著遠(yuǎn)超液氫的能量，將金屬氫應(yīng)用于航空技術(shù)，可以極大提高航天器的時(shí)速。

我國(guó)在高含能材料上的成就

鏈狀和環(huán)狀

自從發(fā)明黑火藥直到明代，中國(guó)的火銃和其他熱兵器都十分先進(jìn)。而到了近代，我國(guó)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)能跟上含能材料技術(shù)前進(jìn)的步伐。在兩次世界大戰(zhàn)中，所應(yīng)用的TNT 等含能材料均為國(guó)外首先研制。近些年，經(jīng)過(guò)國(guó)家相關(guān)單位和大量科研人員的不懈努力，中國(guó)開(kāi)始追趕國(guó)際步伐，并出現(xiàn)部分首創(chuàng)性的先進(jìn)含能材料。

2017 年1 月27 日，在農(nóng)歷新年的爆竹聲中，中國(guó)科研人員在高含能材料領(lǐng)域發(fā)出新年“最強(qiáng)音”——南京理工大學(xué)胡炳成教授團(tuán)隊(duì)首次合成出五唑陰離子。這種離子呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性?xún)?yōu)于美國(guó)合成的鏈狀全氮陽(yáng)離子。該研究成果意味著，中國(guó)材料科研人員占領(lǐng)了新一代高含能材料研究國(guó)際制高點(diǎn)。

高含能材料作為彈藥不僅毀傷力巨大，還可大幅減少體積；而用作火箭燃料，則有望引發(fā)火箭推進(jìn)技術(shù)革命。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中五唑陰離子鹽炸毀儀器