1月26日，美國哈佛大學(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，將對世界帶來顛覆性的影響；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)院教授胡炳成團隊成功合成世界首個全氮陰離子鹽，占領(lǐng)新一代超高能含能材料研究國際制高點。這兩條重磅新聞在我國農(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元素，它由一個質(zhì)子和一個電子組成，常溫常壓下氫是氣體，當(dāng)溫度降低到-253.15℃時變?yōu)橐后w，進一步降低到-259.15℃時成為固體。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，不過他們計算的壓強是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?，增強了人們對金屬氫存在的信心?/span>
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。他們將金剛石的表面涂上了一層氧化鋁涂層，以防止氫擴散到金剛石晶體結(jié)構(gòu)中，引起材料脆化。并將金剛石砧放進一個稱為低溫恒溫器的冷卻設(shè)備中，壓縮氣體。大約在335GPa的時候，氫氣會轉(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)院教授胡炳成團隊成功合成世界首個全氮陰離子鹽，這是我國在《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)物清潔無污染等優(yōu)點，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，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質(zhì)性進展。
胡炳成團隊經(jīng)過多年研究，解決了這一困擾國際含能材料研究領(lǐng)域達半個多世紀(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)域的一個歷史性突破，為全氮陰離子高能化合物的制備奠定了堅實基礎(chǔ)，對于全氮類物質(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：中國和美國的頂尖科研團隊，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)題進行報道。
自從人類把“核”這個“怪獸”放出了“潘多拉魔盒”，世界各主要國家就在潛心研制更先進的核武器，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，很多國家并不甘心止步于此，對于第四代核武器的追求和渴望，促使一些國家都在暗中比拼，近年來也時有消息見諸報端。對于第四代核武器的設(shè)想，根據(jù)“核扳機”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所期待，是因為其是“干凈”的，主要是爆炸后幾乎無污染，可以做到小型化，還可應(yīng)用于實戰(zhàn)而無所顧忌，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7170萬磅（約合3252萬公斤）的壓力才能制備，而這個壓力甚至比地球核心處的壓力更大。這項由哈佛大學(xué)科學(xué)家開發(fā)的技術(shù)，是地球上有史以來的第一個金屬氫樣本。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，美國在對付強大敵人時，可以隨意使用體積小而又無污染的超級武器，而使其可以隨時掌控戰(zhàn)爭的進程。
目前我們可以完全肯定的是，由中國科學(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104J～105J/克級別，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，如果中國將這項技術(shù)應(yīng)用到第四代核武器的開發(fā)，那么，中國也會研制出此前在科學(xué)幻想小說中出現(xiàn)的”N2爆彈”，從而也會領(lǐng)先于其他國家研發(fā)出可以隨意使用體積很小而又無污染的超級武器，從而與美國并駕齊驅(qū)成為率先在第四代核武器研究方面取得顯著進展的國家。
毫無疑問，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，讓一些國家在戰(zhàn)場上“無所顧忌”地應(yīng)用，在核爆炸后48小時士兵就可安全地進入爆炸區(qū)域戰(zhàn)斗，這在前三代核武器時代是無法想象的。如果像金屬氫武器和“N2爆彈”這類武器試驗成功并投入使用，因為其能應(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，從中國和美國無時間間隔研發(fā)出新型高能材料來看，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?，一場新的軍備競賽正在揭幕。
兩種新型材料作為武器確實有點驚悚，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核夢魘，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，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，理論比沖可達約1700秒，是目前比沖最高的氫氧發(fā)動機的近4倍，可以輕松做到火箭單級入軌，帶來太空發(fā)射能力的新一代革命。
高性能含能材料不僅可以用來制造大爆竹，也是下一代大“竄天猴”——運載火箭的關(guān)鍵技術(shù)，新型材料將可大幅度提升火箭的比沖，有望大幅度提高運載火箭性能。
其實，無論是美國的“金屬氫”，還是中國的“N2爆彈”，都在世界的科研領(lǐng)域的進步上添上了濃重的一筆。“金屬氫”的研究人員需要進行進一步的論證，提供更多的證據(jù)證明金屬氫的存在；而“N2爆彈”還需要將其研究進一步推進落地。至于它們的實際應(yīng)用，就要看使用他們的人了。畢竟它們也無法決定自身的應(yīng)用價值。