爆炸猛烈的高含能材料

编译 郝雨

起爆药、发射药、火箭助推剂……它们的革新来自——

什么是高含能材料

自从工业革命以来，人类对于高性能炸药的需求从未停止。在现代科学的相关研究中，炸药通常被称为含能材料。含能材料是一些非常不稳定的物质，它们在经特定方式刺激后会迅速生成状态稳定的产物。由于所生成的稳定物质的能量远低于原本不稳定物质的能量，因此这些被大量释放出来的能量可以破坏周围物体。合理利用含能材料的这一性质，如用炸药开辟山路，可以给人类生产生活带来极大的好处。

目前被研究得最多的含能材料是高含能材料，它们是能量比常规炸药高出至少一个数量级的新型高能物质。如今，含能材料的用途绝不仅仅是作为炸药，还可以用作火箭推进剂。美国当年研发全氮类高含能材料的初衷，就是用其取代有毒的肼类火箭燃料。

含能材料小历史

说到含能材料，就不得不提它们的“祖师爷”——黑火药。黑火药最早记载于东晋的《抱朴子》中。著者葛洪认为，将硝石（制作黑火药的原料）、雄黄、松脂和猪大肠脂肪混合，可以制成一种丹药，“服之皆令人长生，百病除”。但随着对火药性质的研究不断深化，人们发现火药并无延年益寿之功，应该应用它的燃烧性能。公元904 年，南吴太祖杨行密的军队围攻豫章，“部将郑义所部发机飞火，烧龙沙门，带领壮士突火先登入城，焦灼被体”。这是火药用于军事的最早记载。

13 世纪，黑火药传入欧洲，随后统治了军用武器几百年。西班牙人手持火绳枪征服了美洲；英国人又用火炮击垮了西班牙……黑火药作为第一种含能材料，深刻地改变了近代战场。工业革命开始之后，随着化学的大发展，含能材料的种类迅速丰富起来。

炼丹

诺贝尔改良的硝化甘油

19 世纪，硝化甘油问世，这种炸药在带来战争硝烟的同时，也大大加快了工业建设。硝化甘油的发明人是意大利化学家索布雷洛。他在1847 年率先报道了硝化甘油的合成，并发现其爆炸威力相当大。然而，硝化甘油极不稳定，很容易爆炸，给生产和应用带来了极不确定的危险。

1860 年，诺贝尔开始改良硝化甘油的制作工艺，力求安全生产。某天，其工厂中的硝化甘油在试制过程中爆炸，其弟不幸罹难。诺贝尔痛定思痛，最终发明了用冷水管散热生产硝化甘油的方法，初步扫除了大批量生产硝化甘油的障碍。然而，硝化甘油的应用还面临另一项阻碍，这种油状液体受到一定程度的振荡也容易爆炸，运输硝化甘油的卡车爆炸的事故在当时屡见不鲜。

1866 年，诺贝尔用硅藻土吸附硝化甘油，将液体炸药改制成固体炸药，大幅降低了其感度。关于硝化甘油，还有一点特别有意思——它能治病！硝酸甘油片能够扩张血管，常用于冠心病和心绞痛的防治，也可用于降低血压。

还有一种很有名的含能材料——被称为黄色炸药的苦味酸。苦味酸是一种黄色晶体。19 世纪40 年代，人们开始用它作染丝的黄色染料，且平平安安地使用了二十多年。1871 年的一天，法国一家染坊里的工人因打不开苦味酸桶而用锤狠砸，这导致桶内染料猛烈爆炸，许多人死于非命。这场悲剧让人们注意到了苦味酸的爆炸性能。经过反复试验，苦味酸开始被大量用作军事炸药。1893 年，日本政府摸透了苦味酸的工业制作方法，进而开始了大批量生产。在甲午战争中，日舰凭借大量基于苦味酸的爆破弹，让北洋海军吃尽苦头。不过，虽然苦味酸威力大，但也有严重缺陷。它的结构使其呈现出较大酸性，容易腐蚀金属，生成苦味酸盐。而苦味酸盐的感度极高，很容易就——轰！！！

高含能材料研发领域的焦点

高含能材料因能量惊人而受到越来越多国家的重视，被视为可影响国家安全的战略性技术，成为少数军事强国构建常规威慑力和实战能力的一项重要前沿技术。你可曾想过，当下高含能材料领域的“大明星”居然基于随处可见的氮元素和氢元素。

全氮类物质

处理“盐粒炸弹”（六氟砷酸五氮N5AsF6）时全身防护的实验员

氮是宇宙中最常见的几种元素之一，几乎所有生物体内都含有氮元素。自然界中的氮元素绝大部分以氮气的形式存在。氮气非常稳定，很难与其他物质反应生成别的含氮化合物。这是因为，氮气中的氮氮三键是键能最高的化学键之一（键能越高，代表形成该化学键时释放的能量越多，成键后的稳定性越强）。基于同样的原因，在涉及含氮物质的各类化学反应中，氮元素的去向有很大可能是形成氮气，而且，含氮物质越不稳定，反应就越剧烈，生成氮气的可能性就越大，释放的能量也越多。这意味着，含氮量高的化合物作为高含能材料前途可观。

多年来，科学家们一直致力于开发含氮物质的这种潜力。他们尝试让氮原子在化合物中以极不稳定的化学键与其他原子连接，目的是让其在生成氮气时爆发出极大的威力。由于不稳定氮原子的存在是这种含能物质的基础，氮元素的比例越大，物质的能量密度就越高。

金属氢

1935 年，英国物理学家贝纳尔预言，在一定的高压下，任何绝缘体都能变成类似于金属的导电体，只不过不同的材料转变成“金属”所需的压力不同。计算化学研究结果显示，如果氢能以这种“金属态”存在，那么其能量密度将比普通TNT 炸药高30～40 倍。从那时起，金属氢的制造就成为各国争相开拓的技术高地。

科学家尝试用金刚石挤压固体氢制取金属氢

目前，科学家已经能够将磷单质等以前认为“绝对绝缘”的物质转变为导电体，却始终没有得到稳定的金属氢样品。因此，理论预测下的金属氢是否真的能制备出来，在很长一段时间内是学界热议的话题。然而，部分持乐观态度的科学家认为，太阳和太阳系中一些大型行星主要就是由这种高压态的氢元素构成的。例如，木星的最外层是1000 千米厚的气态分子氢，次外层是2.4 万千米厚的液态分子氢，再次层是4.5 万千米厚的液态金属氢。

2017 年1 月26 日，一个研究团队宣布，他们将氢气样本冷却到了略高于绝对零度的温度，在比地球中心压力还高的极高压下，用金刚石对固体氢进行压缩，成功获得了一小块金属氢。在显微镜下，金属氢样本闪闪发光，其反射光线的方式符合金属氢的理论预期。一个月后，该团队又表示，他们用低功率激光器测量金属氢的压力时，听到了微弱的“咔嗒声”，这表明世界上首个金属氢样本消失了。因此，有科学家认为，该团队观察到的闪光物到底是不是氢还不清楚，其有可能是氧化铝（因为金刚石上镀了一层氧化铝），而真正的金属氢则根本没有被研制出来。

既然金属氢这么难获得，为什么人们还要费尽心血研制它呢？这是因为，金属氢的制造技术一旦被人类掌握，就会像当年的蒸汽机那样，引发一场席卷整个科学技术领域的划时代革命。例如，目前火箭的主要燃料是液氢，为了确保液氢的低温环境，科学家必须把火箭做成一个巨大的热水瓶似的容器。而相同质量的金属氢的体积仅是液氢的1/7，如果使用了金属氢，火箭就可以制造得灵巧、小型。又由于金属氢蕴含着远超液氢的能量，将金属氢应用于航空技术，可以极大提高航天器的时速。

我国在高含能材料上的成就

链状和环状

自从发明黑火药直到明代，中国的火铳和其他热兵器都十分先进。而到了近代，我国在较长时间内没能跟上含能材料技术前进的步伐。在两次世界大战中，所应用的TNT 等含能材料均为国外首先研制。近些年，经过国家相关单位和大量科研人员的不懈努力，中国开始追赶国际步伐，并出现部分首创性的先进含能材料。

2017 年1 月27 日，在农历新年的爆竹声中，中国科研人员在高含能材料领域发出新年“最强音”——南京理工大学胡炳成教授团队首次合成出五唑阴离子。这种离子呈环状结构，其稳定性优于美国合成的链状全氮阳离子。该研究成果意味着，中国材料科研人员占领了新一代高含能材料研究国际制高点。

高含能材料作为弹药不仅毁伤力巨大，还可大幅减少体积；而用作火箭燃料，则有望引发火箭推进技术革命。

实验过程中五唑阴离子盐炸毁仪器