中美科学家正进行超级炸药竞赛 爆炸威力提升10倍

  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”。

  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

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