岡察洛夫領導的中國團隊合成高能金屬氮

中國科學院合肥物質科學研究院公布，該院固體物理研究所亞歷山大·岡察洛夫團隊的科研人員成功合成了超高含能材料聚合氮和“金屬氮”，這兩種材料的能量密度為TNT標準炸藥的10倍多。岡察洛夫團隊的研究揭示了“金屬氮”合成的極端條件範圍、轉變機制和光電特徵等關鍵問題。中國高能材料研究在邁向“N2爆彈”和“金屬氫”的道路上又進一步。

新型超高能含能材料是國家核心軍事能力和軍事技術制高點的重要標誌。而氮類物質具有高密度、超高能量及爆轟產物清潔無污染等優點，成為新一代超高能含能材料的典型代表。2017年初，南京理工大學胡炳成團隊合成了能量密度為TNT3倍的全氮陰離子鹽。岡察洛夫團隊的研究方向則指向了極端高溫高壓條件下形成的聚合氮和“金屬氮”。

這兩種形態的氮材料都是典型的超高含能材料，是目前常用炸藥TNT能量密度的十倍以上，如果能作為燃料應用於載人火箭一、二級推進器，有望將目前火箭起飛重量提升數倍以上。

“金屬氮”並不容易獲得，需要高達百萬大氣壓（GPa）的極端高壓和幾千度的高溫條件。製備超高壓材料的常用裝置是金剛石對頂砧，能夠產生超過地心的高壓。科研人員以普通氮氣為原材料，在原有的金剛石對頂砧裝置的基礎上引入了脈衝激光加熱技術，和超快光譜探測方法，建成了集高溫高壓產生及物性測量的綜合實驗系統。利用綜合實驗系統，研究人員獲取了高達170GPa、8000K高溫高壓極端條件，並在此條件下研究了氮分子在絕緣體—半導體—金屬轉變過程中的光學吸收特性和反射特性，確定了氮分子解離及“金屬氮”合成的極端壓力溫度條件範圍，原位光譜分析研究也進一步證實了實驗中確實合成了具有半金屬性質的聚合氮和具有完美金屬特性的“金屬氮”。

岡察洛夫團隊的成果不僅能夠對其他形式高能氮材料的合成提供指導，也為未來“金屬氫”的成功合成奠定了重要基礎。因為合成“金屬氫”所需要的極端高溫高壓條件與合成“金屬氮”是類似的。

“金屬氫”因為其理論上擁有的高能量密度（TNT炸藥的50倍）和高溫超導性能（可能在-113.15℃甚至16.85℃實現超導），被譽為“高壓物理學的聖杯”，崗察洛夫團隊距離“聖杯”又近了一些。

亞歷山大·岡察洛夫特聘研究員，美籍俄裔，1956年出生，1983年俄羅斯科學院光譜學研究所物理專業博士畢業，2012年入選中國“外國專家千人計劃”。2015年獲中國政府“友誼獎”，時任國務院副總理馬凱向岡察洛夫頒獎。

2017年1月份，哈佛大學研究團隊曾經聲稱利用金剛石對頂砧裝置在495GPa的高壓下成功製成了世界上第一塊“金屬氫”，但學界多人（包括岡察洛夫研究員）就此提出質疑，認為單純依靠金剛石對頂砧無法達到如此高的壓力，所謂“金屬氫”確實存在的證據也不足。當年2月，哈佛大學團隊宣布“金屬氫”樣本因為金剛石容器損壞而消失。“世上首塊金屬氫”是否真正存在過成為了謎團，有待後來者去尋覓。