1月26日，美國哈佛大學的科學家艾薩克·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》雜志上刊載，南京理工大學化工學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60年代，科學家們把碘加壓到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》期刊新發(fā)表的論文中，哈佛科學家們使用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?，表示氫已?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，南京理工大學化工學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》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)的合成應用以及全氮含能材料的發(fā)展具有重要的科學意義。
金屬氫和“N2爆彈”聳人聽聞的應用
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。這項由哈佛大學科學家開發(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，由中國科學家合成的全氮陰離子鹽也是一種尖端技術(shù)，能應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。可見，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。理論預言中金屬氫是一種常溫超導體，用金屬氫制作導線，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。至于它們的實際應用，就要看使用他們的人了。畢竟它們也無法決定自身的應用價值。