這個(gè)春節(jié),美國(guó)有“金屬氫”,中國(guó)有“N2爆彈”
2017年02月13日 9:9
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中國(guó)有色網(wǎng)
分類: 新材料前沿
作者: 韓碩
1月26日,美國(guó)哈佛大學(xué)的科學(xué)家艾薩克·席爾維拉和朗加·迪亞斯宣布,成功制取了金屬氫。金屬氫作為一種預(yù)言中的爆炸物,將對(duì)世界帶來(lái)顛覆性的影響;緊接著,1月27日的《科學(xué)》雜志上刊載,南京理工大學(xué)化工學(xué)院教授胡炳成團(tuán)隊(duì)成功合成世界首個(gè)全氮陰離子鹽,占領(lǐng)新一代超高能含能材料研究國(guó)際制高點(diǎn)。這兩條重磅新聞在我國(guó)農(nóng)歷新年期間,刷爆了材料人的朋友圈。
金屬氫
氫是我們十分熟悉的元素,作為元素周期表的第一號(hào)元素,它由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成,常溫常壓下氫是氣體,當(dāng)溫度降低到-253.15℃時(shí)變?yōu)橐后w,進(jìn)一步降低到-259.15℃時(shí)成為固體。1935年Wigner和Huntington兩位科學(xué)家從理論上分析,稱氫在超高壓下可能變成金屬,不過他們計(jì)算的壓強(qiáng)是25GPa。20世紀(jì)60年代,科學(xué)家們把碘加壓到17GPa以上,使它從絕緣體變?yōu)榻饘?,增?qiáng)了人們對(duì)金屬氫存在的信心。
在《科學(xué)》期刊新發(fā)表的論文中,哈佛科學(xué)家們使用DAC技術(shù),在495GPa高壓以及-268℃的環(huán)境下,他們成功地制造出了金屬氫。但這一成就還有待同行證實(shí)。他們將金剛石的表面涂上了一層氧化鋁涂層,以防止氫擴(kuò)散到金剛石晶體結(jié)構(gòu)中,引起材料脆化。并將金剛石砧放進(jìn)一個(gè)稱為低溫恒溫器的冷卻設(shè)備中,壓縮氣體。大約在335GPa的時(shí)候,氫氣會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏硎練湟呀?jīng)轉(zhuǎn)變到可以吸收光的形態(tài)。隨后,到了495GPa的時(shí)候,樣本開始發(fā)光,這就形成了研究人員所稱的金屬氫。
中國(guó)的“N2爆彈”
1月27日,南京理工大學(xué)化工學(xué)院教授胡炳成團(tuán)隊(duì)成功合成世界首個(gè)全氮陰離子鹽,這是我國(guó)在《科學(xué)》雜志上發(fā)表的含能材料領(lǐng)域第一篇研究論文。
全氮類物質(zhì)具有高密度、超高能量及爆轟產(chǎn)物清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),成為新一代超高能含能材料的典型代表。目前,該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一是全氮陰離子的合成。
由于制備全氮陰離子的前驅(qū)體芳基五唑穩(wěn)定性較差,加上全氮陰離子自身不穩(wěn)定,致使采用常規(guī)方法獲取全氮陰離子非常困難。自1956年芳基五唑被首次合成以來(lái),制備穩(wěn)定存在的全氮陰離子及其鹽的研究一直沒有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。
胡炳成團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年研究,解決了這一困擾國(guó)際含能材料研究領(lǐng)域達(dá)半個(gè)多世紀(jì)的世界性難題,在全氮陰離子的合成中取得了重大突破性進(jìn)展。他們創(chuàng)造性采用間氯過氧苯甲酸和甘氨酸亞鐵分別作為切斷試劑和助劑,通過氧化斷裂的方式首次制備成功室溫下穩(wěn)定全氮陰離子鹽。熱分析結(jié)果顯示,這種鹽分解溫度高達(dá)116.8℃,具有非常好的熱穩(wěn)定性。
全氮陰離子鹽的成功制備,是全氮類物質(zhì)研究領(lǐng)域的一個(gè)歷史性突破,為全氮陰離子高能化合物的制備奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),對(duì)于全氮類物質(zhì)的合成應(yīng)用以及全氮含能材料的發(fā)展具有重要的科學(xué)意義。
金屬氫和“N2爆彈”聳人聽聞的應(yīng)用
春節(jié)期間,材料界放出的這兩顆“原子彈”消息:中國(guó)和美國(guó)的頂尖科研團(tuán)隊(duì),分別研制出全氮類陰離子鹽和金屬氫,使媒體界也炸開了鍋,紛紛以“中美第四代核武器”這樣聳人聽聞的標(biāo)題進(jìn)行報(bào)道。
自從人類把“核”這個(gè)“怪獸”放出了“潘多拉魔盒”,世界各主要國(guó)家就在潛心研制更先進(jìn)的核武器,并且目前已大量裝備了三代核武器。第一代的原子彈,第二代的氫彈和第三代的中子彈、沖擊波彈、電磁脈沖彈等。不過,很多國(guó)家并不甘心止步于此,對(duì)于第四代核武器的追求和渴望,促使一些國(guó)家都在暗中比拼,近年來(lái)也時(shí)有消息見諸報(bào)端。對(duì)于第四代核武器的設(shè)想,根據(jù)“核扳機(jī)”的不同,大概有金屬氫武器、激光粒子束武器、核同質(zhì)異能素武器、反物質(zhì)武器和N2爆彈等幾種。即將出現(xiàn)的第四代核武器之所以被各國(guó)所期待,是因?yàn)槠涫?ldquo;干凈”的,主要是爆炸后幾乎無(wú)污染,可以做到小型化,還可應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)而無(wú)所顧忌,因而大大優(yōu)于前三代核武器。
其中,金屬氫武器必須首先將氣體氫轉(zhuǎn)化為固體金屬氫,這個(gè)技術(shù)十分復(fù)雜且要求極高,需要在每平方英寸(約合6.45平方厘米)施加超過7170萬(wàn)磅(約合3252萬(wàn)公斤)的壓力才能制備,而這個(gè)壓力甚至比地球核心處的壓力更大。這項(xiàng)由哈佛大學(xué)科學(xué)家開發(fā)的技術(shù),是地球上有史以來(lái)的第一個(gè)金屬氫樣本。這種金屬氫不但可以作為超導(dǎo)新材料,更可以使研發(fā)第四代核武器中氫金屬武器成為可能,也使美國(guó)再次成為走在核武器技術(shù)前沿的領(lǐng)頭者。有了這種新武器,美國(guó)在對(duì)付強(qiáng)大敵人時(shí),可以隨意使用體積小而又無(wú)污染的超級(jí)武器,而使其可以隨時(shí)掌控戰(zhàn)爭(zhēng)的進(jìn)程。
目前我們可以完全肯定的是,由中國(guó)科學(xué)家合成的全氮陰離子鹽也是一種尖端技術(shù),能應(yīng)用于在科幻小說(shuō)中出現(xiàn)過的”N2爆彈”。這種全氮陰離子鹽類物質(zhì)的能量水平可達(dá)104J~105J/克級(jí)別,這相當(dāng)于TNT炸藥的10~100倍,有望用于制造不需核裂變起爆的“干凈”氫彈。也就是說(shuō),如果中國(guó)將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到第四代核武器的開發(fā),那么,中國(guó)也會(huì)研制出此前在科學(xué)幻想小說(shuō)中出現(xiàn)的”N2爆彈”,從而也會(huì)領(lǐng)先于其他國(guó)家研發(fā)出可以隨意使用體積很小而又無(wú)污染的超級(jí)武器,從而與美國(guó)并駕齊驅(qū)成為率先在第四代核武器研究方面取得顯著進(jìn)展的國(guó)家。
毫無(wú)疑問,不管是金屬氫武器還是“N2爆彈”等第四代核武器,可以大幅減少核武器使用的門檻,讓一些國(guó)家在戰(zhàn)場(chǎng)上“無(wú)所顧忌”地應(yīng)用,在核爆炸后48小時(shí)士兵就可安全地進(jìn)入爆炸區(qū)域戰(zhàn)斗,這在前三代核武器時(shí)代是無(wú)法想象的。如果像金屬氫武器和“N2爆彈”這類武器試驗(yàn)成功并投入使用,因?yàn)槠淠軕?yīng)用在小到子彈大小的載具,將通常的戰(zhàn)略核武器戰(zhàn)術(shù)化,使本已籠罩在核陰云下的世界更加不安。不過,從中國(guó)和美國(guó)無(wú)時(shí)間間隔研發(fā)出新型高能材料來(lái)看,第四代核武器研發(fā)的大幕似乎已拉開,而近期俄羅斯在這方面也有新收獲??梢?,一場(chǎng)新的軍備競(jìng)賽正在揭幕。
兩種新型材料作為武器確實(shí)有點(diǎn)驚悚,但是考慮到其他用途,他們還是很被期待的。
金屬氫雖然可能帶來(lái)核夢(mèng)魘,但它在民用領(lǐng)域同樣具有廣泛的前途。理論預(yù)言中金屬氫是一種常溫超導(dǎo)體,用金屬氫制作導(dǎo)線,可以避免輸電損耗,用它制作發(fā)電機(jī),可以大幅度降低重量和提高輸出功率。金屬氫的超高能量密度在航天領(lǐng)域也有很大應(yīng)用,如果用金屬氫做火箭燃料,理論比沖可達(dá)約1700秒,是目前比沖最高的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的近4倍,可以輕松做到火箭單級(jí)入軌,帶來(lái)太空發(fā)射能力的新一代革命。
高性能含能材料不僅可以用來(lái)制造大爆竹,也是下一代大“竄天猴”——運(yùn)載火箭的關(guān)鍵技術(shù),新型材料將可大幅度提升火箭的比沖,有望大幅度提高運(yùn)載火箭性能。
其實(shí),無(wú)論是美國(guó)的“金屬氫”,還是中國(guó)的“N2爆彈”,都在世界的科研領(lǐng)域的進(jìn)步上添上了濃重的一筆。“金屬氫”的研究人員需要進(jìn)行進(jìn)一步的論證,提供更多的證據(jù)證明金屬氫的存在;而“N2爆彈”還需要將其研究進(jìn)一步推進(jìn)落地。至于它們的實(shí)際應(yīng)用,就要看使用他們的人了。畢竟它們也無(wú)法決定自身的應(yīng)用價(jià)值。
責(zé)任編輯:于璐
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