上周，中美科學家幾乎同時在超高能含能材料上實現了突破，中國科學家首次合成全氮陰離子鹽，美國科學家合成了金屬氫。這兩項成果都發布在了國際頂級期刊《科學》雜誌上，兩顆高科技“大禮花”的出現，又恰逢中國春節，似乎是給中國人的傳統新春佳節一起獻上祝福。　

　　　　爆炸界的“少林武當”

　　這兩則關於高能材料的新聞都顯得極其“爆炸”，無論是材料的爆炸力還是新聞本身的爆炸性。

　　中國在唐代就已經發明了火藥（黑色炸藥），到宋代時，炸藥已經應用在戰爭上，從此以後，這種“砰砰砰”的東西就成了人類這個“地球熊孩子”的玩具，雖然多少人在戰爭中因為它而殞命，但是炸藥在人類生產生活中又起到了大量有益的作用，可謂是一把“雙刃劍”。

　　我去炸學校，天天不遲到，小鳥說早早早，你為什麼背着炸藥包。對於熊孩子們而言，這種玩具雖然噪音巨大而且危險，但是絕對過癮，要的就是這種心跳的感覺

　　作為熊孩子界的頂級玩家，自炸藥界“泰斗”諾貝爾發明可以穩定的真正“炸藥”之後，人類已經不滿足於對自然界產物混合製取黑火藥的玩法。解析爆炸原理，利用科學手段製取自己所需要的炸藥成分，目標就是爆炸更快，威力更高，破壞更強的炸藥。

　　作為炸藥，其威力來源於分子之間化學鍵斷裂產生的能量。無論是構成分子的原子成分，還是分子之間組成結構的形式都對炸藥的威力有所影響。

　　在深入到這一階段後，爆炸世界內就產生了多個“門派”，而全氮陰離子鹽和金屬氫，就分別是其中兩大門派的頂級之作。

　　全氮陰離子鹽出身“化學流派”，全氮類物質門，化學流派追求通過化學手段，合成具備高能化學鍵的新物質來達成能量的猛烈釋放。因為氮氣化學鍵的性質，現有的炸藥中的氮含量對能量強度有不小的影響，炸藥的含氮量是用來衡量炸藥能力的一項重要指標。那麼由全氮構成的炸藥威力如何呢？全氮陰離子鹽（此前美國人已經成功合成了全氮陽離子，這兩個發明在一起就像是打通了“任督二脈”）的合成不亞於該門派的鎮派神兵鑄成，是足夠大書特書一筆的。

　　比起以巧破千斤的全氮陰離子鹽，金屬氫這一流派的思路就顯得剛猛無比。用高壓強行改變物質結構，讓物質的結合方式轉變為高能量密度的金屬鍵。該門派的各路學者秉持的思路只有一條：“成功需要更多的壓力。”1935年,E·P·維格納等人預測,在25GPa(25萬個大氣壓)下,氫將呈現出金屬性質。最終，人類以495萬大氣壓的兇殘壓力合成了金屬氫。

　　兩大門派之間並非全無交集，全氮炸藥中也有以高壓壓力獲得聚合氮物質的思路，金屬氫想要走出實驗室真正在工程上實現，也需要化學方法的輔助。這些高能含能材料未來將在炸藥，發射藥，火箭推進劑等方面大放異彩。

爆炸之力 響徹群山

　　不管是“一力降十會”還是“以巧破千斤”，什麼樣的功夫都得用來打人，什麼樣的路線都得看最終產品性能如何。

　　從黑火藥、TNT、到現在的黑索金、奧克托今炸藥，炸藥的爆炸威力基本是由爆能，爆壓，爆速等多個指標衡量的。

　　此次南京理工大學首次合成的全氮陰離子鹽N5-，是全氮類高能材料中重要的前體物質。從N3至N13一系列全氮衍生物一直是科學家們追求的高能材料，這種材料的爆炸能量達到TNT炸藥的3-10倍，爆速從9000米每秒提升到14000米每秒以上，爆壓從30至40吉帕提升到90吉帕。

　　可能有人會覺得3倍爆炸能量不是什麼大的提升，但其實TNT炸藥比起黑火藥的爆炸能提升也不過是4倍左右，這就已經是一場“革命”了。圖為世界上較早使用化學發射藥的M1888步槍，其性能遠超過此前使用黑火藥的任何步槍

　　作為廣島原子彈引發臨界核裂變效果“扳機”的奧克托今炸藥，其爆能也不過是1.7倍TNT的威力。

　　全氮材料家族的另一位同胞，1998年美國合成的N5+鹽材料以不到0.2克的質量（一各鹽粒）炸爛了一個通風櫥，把實驗室炸的跟被鬼子掃蕩過一樣。但是因為形成的化合物氮含量下降，還是不夠完美，而此次的N5-鹽若與氮陽離子合成純氮材料，威力將更上一層樓

　　這一提升看似並不震撼，但是其足以讓現今使用的武器性能得到跨越性的提升。試想看，這甚至可以讓人手一發的80毫米火箭筒達到超過120迫擊炮彈(裝藥量相當於155毫米榴彈）的殺傷威力，這對患有嚴重“火力不足恐懼症”的中國陸軍而言，無異於天賜良藥。

在用作火箭推進劑時，全氮高能材料能顯著延長發動機的工作時間（即提高比沖），更高比沖的固體發動機在不增加導彈體積的情況下，將顯著提升導彈射程。結合大威力高能炸藥，現有體系下的中距彈就可能達到霹靂-1X的性能水平，具備超遠射程和對超音速巡航目標的殺傷能力，大規模遠距離空中“排隊槍斃”不再是夢想。或者小型化的導彈也將具備不凡的作戰能力，戰鬥機可以像戰艦一樣攜帶大量的導彈進行作戰。

　　如果76毫米火箭彈大小的導彈可以具備“響尾蛇”導彈的性能，空戰就可能變成……看我全彈發射啦！

　　而最為可貴的，在發布在《科學》雜誌上的論文中表現的合成路徑看來，N5-其合成原料價格相當低廉。選用的材料中最貴的也不過就是甘氨酸亞鐵[Fe(Gly)2]。

　　現有高能炸藥中，哪怕是奧克托今炸藥也因為成本高昂，與TNT混用並且只使用於導彈和水中兵器的高能戰鬥部上。如果全氮陰離子鹽的合成產率等問題得到解決，其應用要比現有的各種硝基高能炸藥更為廣泛——甚至真有在“當量價格比”上超過TNT的可能。

　　胡炳成教授團隊此次合成的全氮陰離子鹽分解溫度高達116.8 ℃，具有非常好的熱穩定性。這一點在高能炸藥的探索中相當重要，因為含能高材料大多數“脾氣”都不是很好，穩定性極差。諾貝爾為研究炸藥導致親人喪生，在現代高能材料研究過程中，這些“不好伺候”的主也是動不動就發脾氣，研磨中就會爆炸的高氯酸肼鎳，它導致美國化學研究生布朗丟了三根手指。還有合成過程中就能爆炸的高氯酸甲酯，高氯酸甘油更是在傾倒過程中說不定就會爆炸。

　　比起這些脾氣暴躁的“女漢子”來，N5-真可以說的上大家閨秀了，這也讓它的未來應用性和拓展可能大大增加。畢竟，人們需要的是可以控制的炸藥，而不是沒準什麼時候就會爆炸的不穩定物質。

　　對於中國人而言，南京理工大學化工學院胡炳成教授團隊還有着特殊的意義，火藥是中國古代的四大發明之一，但是在近現代的化學炸藥研發中，中國卻遺憾的落後了。兩次世界大戰中，各國所應用的TNT、PETN和RDX均為國外首先研製，且產量巨大。當然，目前為止，也只有部分先進的含能材料為國內首創，而五唑陰離子的首次發現，終於為中國爭足了一口氣。

　　說到另一位上了《科學》雜誌的金屬氫，應該說，它的知名度比起N5-來說要高得多了，在中國科幻作家劉慈欣的小說《中國2185》中就作為高能汽車燃料出現過。

　　從1973年美國洛斯阿拉莫斯實驗室開始，美國，蘇聯，包括日本都有報告聲稱發現了金屬氫，然而並一直沒有相關方面拿出實際證明。此次哈佛大學的團隊在495萬個大氣壓下製造的金屬氫也還沒有得到進一步的承認，因為金屬氫得到的條件苛刻且不穩定，稍微減輕壓力本身就升華消失，這種苛刻的條件也是真正製取金屬氫的難度之一。

　　作為“夢幻炸藥”，科學家們對於金屬氫的性能早就有所分析，通過金屬鍵鍵能等方式，金屬氫預計在升華中可以達TNT的爆炸能量的35倍，遠遠大於任何化學能源的能量密度，僅次於核反應。爆速超過15000米每秒。如果作為火箭燃料，比沖可能超過1700秒，這一時間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。

　　不止如此，金屬氫的特殊結構帶來的金屬性質，更使其可能成為常溫（290K，16.85℃）下的超導材料，如果應用於電力傳輸，將帶來革命性作用。

　　全氮含能材料作為火箭推進級的比沖也能達到400-500秒級，雖然不如金屬氫，但是其更具備實用價值，對於高能材料而言，“送人上天”比起“送人上西天”對人類才更有意義。兩者都不僅僅是人類武器的進步，更是人類改變世界改變自身的進步

　　而所謂“氫彈扳機”的說法，現有裂變彈作為引發聚變反應的扳機不僅僅是因為核彈的爆炸能力，還包括裂變反應中的中子射流作用。這一點無論是N5-還是金屬氫都無法做到。高能炸藥應用於原子彈引爆還有可能，應用於“潔淨氫彈”還是指望激光點火技術吧——在這個領域，高能含能物質也一樣大有用武之地

　　迄今為止，核反應仍然是人類掌握最劇烈的能量釋放方式，想要代替核彈的地位，還是圖樣圖森破

　　在理論推算中如此優秀的性能和廣闊前景，那就怪不得科學家們如此孜孜以求了，不過，苛刻的製造條件讓金屬氫真正的實用化還要走很長時間，如果說南理工胡教授團隊的成就讓我們已經一腳跨進了全氮高能材料領域的大門，哈佛大學團隊的成就至多只能算讓我們有了條一窺金屬氫世界的小縫兒。

　　　　號令武林 誰為至尊

　　那麼這兩者究竟誰更優秀呢？

　　從爆能上看，金屬氫以至少35倍TNT的能量釋放絕對性勝出。

　　從爆速等指標上看，金屬氫也是略勝一籌。

　　在環保方面，雙方的爆炸殘留物一個是氮氣一個是氫氣，都屬於潔淨無污染，絕對的“綠色炸藥”。

　　從安全性上來看，全氮炸藥可能還可以摸摸，金屬氫的脾氣就很難說了。

　　在航天方面的應用，金屬氫以預計超出三倍的比沖數值取勝。

　　在其他應用前景方面，金屬氫成為常溫超導體的可能性也極具優勢。

　　不過如果單純從“爆炸”的實用前景來看，金屬氫的實驗室成就還必須接受各種檢驗，真正工業化生產還需要漫長的摸索。而全氮陰離子鹽幾乎已經是摸到了工業化生產的邊，正所謂“十鳥在林，不如一鳥在手”，全氮高能材料或許在不遠的將來就能應用到人類的生產生活中。

　　無論如何，兩者都給人類開拓了新技術領域的前景。南理工直接叩開了全氮超高能含能材料的大門，而哈佛大學則走入了一條金屬性非金屬化合物的漫長小徑。無論是哪一種都是值得敬仰的研究成果，都將為人類的未來而造福。