在你过年的时候 中美科学家正忙着搞“超级炸药”竞赛

观察者网   旬越   2017-02-06 10:37  

上周,中美科学家几乎同时在超高能含能材料上实现了突破,中国科学家首次合成全氮阴离子盐,美国科学家合成了金属氢。这两项成果都发布在了国际顶级期刊《科学》杂志上,两颗高科技“大礼花”的出现,又恰逢中国春节,似乎是给中国人的传统新春佳节一起献上祝福。

但是超高能含能材料真的拿来做烟花,效果可能太过强劲了,一不小心就会造出一个大新闻

爆炸界的“少林武当”

这两则关于高能材料的新闻都显得极其“爆炸”,无论是材料的爆炸力还是新闻本身的爆炸性。

我国在唐代就已经发明了火药(黑色炸药),到宋代时,炸药已经应用在战争上,从此以后,这种“砰砰砰”的东西就成了人类这个“地球熊孩子”的玩具,虽然多少人在战争中因为它而殒命,但是炸药在人类生产生活中又起到了大量有益的作用,可谓是一把“双刃剑”。

我去炸学校,天天不迟到,小鸟说早早早,你为什么背着炸药包。对于熊孩子们而言,这种玩具虽然噪音巨大而且危险,但是绝对过瘾,要的就是这种心跳的感觉

作为熊孩子界的顶级玩家,自炸药界“泰斗”诺贝尔发明可以稳定的真正“炸药”之后,人类已经不满足于对自然界产物混合制取黑火药的玩法。解析爆炸原理,利用科学手段制取自己所需要的炸药成分,目标就是爆炸更快,威力更高,破坏更强的炸药。

作为炸药,其威力来源于分子之间化学键断裂产生的能量。无论是构成分子的原子成分,还是分子之间组成结构的形式都对炸药的威力有所影响。

在深入到这一阶段后,爆炸世界内就产生了多个“门派”,而全氮阴离子盐和金属氢,就分别是其中两大门派的顶级之作。

全氮阴离子盐出身“化学流派”,全氮类物质门,化学流派追求通过化学手段,合成具备高能化学键的新物质来达成能量的猛烈释放。因为氮气化学键的性质,现有的炸药中的氮含量对能量强度有不小的影响,炸药的含氮量是用来衡量炸药能力的一项重要指标。那么由全氮构成的炸药威力如何呢?全氮阴离子盐(此前美国人已经成功合成了全氮阳离子,这两个发明在一起就像是打通了“任督二脉”)的合成不亚于该门派的镇派神兵铸成,是足够大书特书一笔的。

比起以巧破千斤的全氮阴离子盐,金属氢这一流派的思路就显得刚猛无比。用高压强行改变物质结构,让物质的结合方式转变为高能量密度的金属键。该门派的各路学者秉持的思路只有一条:“成功需要更多的压力。”1935年,E·P·维格纳等人预测,在25GPa(25万个大气压)下,氢将呈现出金属性质。最终,人类以495万大气压的凶残压力合成了金属氢。

两大门派之间并非全无交集,全氮炸药中也有以高压压力获得聚合氮物质的思路,金属氢想要走出实验室真正在工程上实现,也需要化学方法的辅助。这些高能含能材料未来将在炸药,发射药,火箭推进剂等方面大放异彩。

爆炸之力 响彻群山

不管是“一力降十会”还是“以巧破千斤”,什么样的功夫都得用来打人,什么样的路线都得看最终产品性能如何。

从黑火药、TNT、到现在的黑索金、奥克托今炸药,炸药的爆炸威力基本是由爆能,爆压,爆速等多个指标衡量的。

此次南京理工大学首次合成的全氮阴离子盐N5-,是全氮类高能材料中重要的前体物质。从N3至N13一系列全氮衍生物一直是科学家们追求的高能材料,这种材料的爆炸能量达到TNT炸药的3-10倍,爆速从9000米每秒提升到14000米每秒以上,爆压从30至40吉帕提升到90吉帕。

可能有人会觉得3倍爆炸能量不是什么大的提升,但其实TNT炸药比起黑火药的爆炸能提升也不过是4倍左右,这就已经是一场“革命”了。图为世界上较早使用化学发射药的M1888步枪,其性能远超过此前使用黑火药的任何步枪

作为广岛原子弹引发临界核裂变效果“扳机”的奥克托今炸药,其爆能也不过是1.7倍TNT的威力。

全氮材料家族的另一位同胞,1998年美国合成的N5+盐材料以不到0.2克的质量(一各盐粒)炸烂了一个通风橱,把实验室炸的跟被鬼子扫荡过一样。但是因为形成的化合物氮含量下降,还是不够完美,而此次的N5-盐若与氮阳离子合成纯氮材料,威力将更上一层楼

这一提升看似并不震撼,但是其足以让现今使用的武器性能得到跨越性的提升。试想看,这甚至可以让人手一发的80毫米火箭筒达到超过120迫击炮弹(装药量相当于155毫米榴弹)的杀伤威力,这对患有严重“火力不足恐惧症”的中国陆军而言,无异于天赐良药。

“班长,发现敌方狙击手。”“火力覆盖”“班长,发现敌方碉堡。”“火力覆盖。”“班长……”“火力覆盖”!!!

在用作火箭推进剂时,全氮高能材料能显著延长发动机的工作时间(即提高比冲),更高比冲的固体发动机在不增加导弹体积的情况下,将显著提升导弹射程。结合大威力高能炸药,现有体系下的中距弹就可能达到霹雳-1X的性能水平,具备超远射程和对超音速巡航目标的杀伤能力,大规模远距离空中“排队枪毙”不再是梦想。或者小型化的导弹也将具备不凡的作战能力,战斗机可以像战舰一样携带大量的导弹进行作战。

如果76毫米火箭弹大小的导弹可以具备“响尾蛇”导弹的性能,空战就可能变成……看我全弹发射啦!

而在作为核武器扳机方面,在同等威力的情况下至少可以缩小一半的体积和质量

而最为可贵的,在发布在《科学》杂志上的论文中表现的合成路径看来,N5-其合成原料价格相当低廉。选用的材料中最贵的也不过就是甘氨酸亚铁[Fe(Gly)2]。

现有高能炸药中,哪怕是奥克托今炸药也因为成本高昂,与TNT混用并且只使用于导弹和水中兵器的高能战斗部上。如果全氮阴离子盐的合成产率等问题得到解决,其应用要比现有的各种硝基高能炸药更为广泛——甚至真有在“当量价格比”上超过TNT的可能。

胡炳成教授团队此次合成的全氮阴离子盐分解温度高达116.8 ℃,具有非常好的热稳定性。这一点在高能炸药的探索中相当重要,因为含能高材料大多数“脾气”都不是很好,稳定性极差。诺贝尔为研究炸药导致亲人丧生,在现代高能材料研究过程中,这些“不好伺候”的主也是动不动就发脾气,研磨中就会爆炸的高氯酸肼镍,它导致美国化学研究生布朗丢了三根手指。还有合成过程中就能爆炸的高氯酸甲酯,高氯酸甘油更是在倾倒过程中说不定就会爆炸。

比起这些脾气暴躁的“女汉子”来,N5-真可以说的上大家闺秀了,这也让它的未来应用性和拓展可能大大增加。毕竟,人们需要的是可以控制的炸药,而不是没准什么时候就会爆炸的不稳定物质。

对于中国人而言,南京理工大学化工学院胡炳成教授团队还有着特殊的意义,火药是中国古代的四大发明之一,但是在近现代的化学炸药研发中,中国却遗憾的落后了。两次世界大战中,各国所应用的TNT、PETN和RDX均为国外首先研制,且产量巨大。当然,目前为止,也只有部分先进的含能材料为国内首创,而五唑阴离子的首次发现,终于为中国争足了一口气。

金属氢的制备和爆炸要求都非常苛刻

说到另一位上了《科学》杂志的金属氢,应该说,它的知名度比起N5-来说要高得多了,在我国科幻作家刘慈欣的小说《中国2185》中就作为高能汽车燃料出现过。

从1973年美国洛斯阿拉莫斯实验室开始,美国,苏联,包括日本都有报告声称发现了金属氢,然而并一直没有相关方面拿出实际证明。此次哈佛大学的团队在495万个大气压下制造的金属氢也还没有得到进一步的承认,因为金属氢得到的条件苛刻且不稳定,稍微减轻压力本身就升华消失,这种苛刻的条件也是真正制取金属氢的难度之一。

作为“梦幻炸药”,科学家们对于金属氢的性能早就有所分析,通过金属键键能等方式,金属氢预计在升华中可以达TNT的爆炸能量的35倍,远远大于任何化学能源的能量密度,仅次于核反应。爆速超过15000米每秒。如果作为火箭燃料,比冲可能超过1700秒,这一时间甚至可以让单级火箭突破大气层,大大减轻人类探索太空的难度。

不止如此,金属氢的特殊结构带来的金属性质,更使其可能成为常温(290K,16.85℃)下的超导材料,如果应用于电力传输,将带来革命性作用。

全氮含能材料作为火箭推进级的比冲也能达到400-500秒级,虽然不如金属氢,但是其更具备实用价值,对于高能材料而言,“送人上天”比起“送人上西天”对人类才更有意义。两者都不仅仅是人类武器的进步,更是人类改变世界改变自身的进步

而所谓“氢弹扳机”的说法,现有裂变弹作为引发聚变反应的扳机不仅仅是因为核弹的爆炸能力,还包括裂变反应中的中子射流作用。这一点无论是N5-还是金属氢都无法做到。高能炸药应用于原子弹引爆还有可能,应用于“洁净氢弹”还是指望激光点火技术吧——在这个领域,高能含能物质也一样大有用武之地

迄今为止,核反应仍然是人类掌握最剧烈的能量释放方式,想要代替核弹的地位,还是图样图森破

在理论推算中如此优秀的性能和广阔前景,那就怪不得科学家们如此孜孜以求了,不过,苛刻的制造条件让金属氢真正的实用化还要走很长时间,如果说南理工胡教授团队的成就让我们已经一脚跨进了全氮高能材料领域的大门,哈佛大学团队的成就至多只能算让我们有了条一窥金属氢世界的小缝儿。

号令武林 谁为至尊

那么这两者究竟谁更优秀呢?

从爆能上看,金属氢以至少35倍TNT的能量释放绝对性胜出。

从爆速等指标上看,金属氢也是略胜一筹。

在环保方面,双方的爆炸残留物一个是氮气一个是氢气,都属于洁净无污染,绝对的“绿色炸药”。

从安全性上来看,全氮炸药可能还可以摸摸,金属氢的脾气就很难说了。

在航天方面的应用,金属氢以预计超出三倍的比冲数值取胜。

在其他应用前景方面,金属氢成为常温超导体的可能性也极具优势。

不过如果单纯从“爆炸”的实用前景来看,金属氢的实验室成就还必须接受各种检验,真正工业化生产还需要漫长的摸索。而全氮阴离子盐几乎已经是摸到了工业化生产的边,正所谓“十鸟在林,不如一鸟在手”,全氮高能材料或许在不远的将来就能应用到人类的生产生活中。

无论如何,两者都给人类开拓了新技术领域的前景。南理工直接叩开了全氮超高能含能材料的大门,而哈佛大学则走入了一条金属性非金属化合物的漫长小径。无论是哪一种都是值得敬仰的研究成果,都将为人类的未来而造福。

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责任编辑:张幂 关键词: 金属氢 超级炸药 N2弹

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