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寻找威力更猛的炸药

“Boom!”随着一声巨响,2008年格鲁吉亚萨凡纳州的一家炼糖厂顷刻间灰飞烟灭。这次爆炸导致14人丧生。

你猜这起事故的元凶是什么?糖!没错,是那吃起来甜甜的玩意儿!

恐怕很少有人知道,糖是一种爆炸物。它的爆炸威力甚至是等重TNT的四倍。这起爆炸就是精炼细糖粉不小心引燃后发生的。

幸运的是,在正常情况下,需要很多细糖粉堆在一起才可能引爆,所以,对你家橱柜里的那点糖,你就放一百个心吧。

从黑火药到黄色炸药

火药是我国古代的四大发明之一。早在一千多年以前,我们的祖先就开始使用黑火药了。黑火药中起爆炸作用的成分是硝石(化学名叫硝酸钾)。但直到17世纪末,英国的科学家才通过实验搞清楚黑火药的工作原理。自那以后,人类寻找更好的炸药的努力就没有停止过。

继硝石之后,为早期爆破手们青睐的炸药,是硝化甘油。但硝化甘油臭名昭彰的一点是它非常不稳定,只要给予一点轻微的冲击,就会爆炸。历史上,人们为了降服它,想了很多办法,也付出了生命的代价。直到1864年,瑞典化学家艾尔弗雷德·诺贝尔的硝化甘油工厂发生爆炸,在爆炸中他自己的弟弟丧生之后,他继续顽强地通过试验才发现,将硝化甘油与硅藻土混和,可以制造出一种虽然爆炸性能稍差,但更干燥、更安全的版本。这种炸药因含有硅藻土而显黄色,所以叫黄色炸药。改进后的炸药很快就被用于爆破矿井、隧道,为修建铁路和运河开山辟路,使得诺贝尔成为了一代富豪。

改进后的炸药安全性能是提高了,但与此同时,爆炸威力却削弱了,远不及硝化甘油。之后研制出来的TNT等常规炸药,虽然安全性能不断提高,但爆炸威力却提高得十分有限,满足不了各方面越来越高的要求。

对威力更猛的爆炸物的需求

对威力更猛的爆炸物的需要,首先来自军事上的用途。核弹当然是威力巨大又极具破坏性的,但大家都知道,核弹破坏性太大,而且有放射性污染,在局部战争中是不能轻易使用的。当前,美军配备的威力最猛的常规炸弹叫MOAB,它有“炸弹之母(mother of all bombs)”之称。它内含8吨多的炸药,可以摧毁非常坚固的目标或者大范围消灭地面部队和装甲武装。2017年,美军在阿富汗战场上曾经用它来对付圣战分子。

但是,军队还希望将来用微型炸弹装备小型无人机,要求炸弹重量轻,但威力又不输于大型炸弹,而现有的常规炸药已满足不了要求。

如果军事上的需求让人胆战心惊,那么让我们再转向人类另一个较为和平的抱负——太空探索。我们知道,地球上万物都受到引力的制约,而摆脱地球引力的束缚需要很大的推力。早在1903年,在俄罗斯科学家齐奥尔科夫斯基推导出火箭方程之后,人们就一直在做这方面的努力。火箭科学需要解决的核心问题是,如何靠向下喷射爆炸性膨胀的气体产生反作用力,来推动火箭升空。

然而,这里遇到了一个困难:你想要产生更大的推力,需要更多的燃料;但是携带的燃料越多,需要的推力也就越大。这个矛盾意味着,要想让火箭飞入太空,无论你使用多少常规炸药都无济于事。目前最先进的火箭采用液氢和液氧混合剂做燃料,这种燃料的能量密度更大。但即便如此,也只有2%的发射重量是有效负荷(火箭运送的用于直接执行特定任务的设备和系统),超过80%全是燃料,而且火箭只有在飞行中不断减轻重量,才能到达预定轨道。这就是为什么需要多级火箭的原因,因为它在升空时可以及时把空的燃料箱抛掉,以减轻负荷。

如果找到一种更好的燃料,同样大小的火箭就可以把有效负荷大大提高,这将极大地节约卫星发射成本,为将来载人飞船来往于地球与火星或月球的基地提供便利。有了更好的燃料,甚至火箭和飞行器都不需要设计成多级的了。

正是这些需求,推动着世界各国的科学家去寻找新一代“极具破坏性的高能材料”,它的爆炸威力要超过以往任何一种炸药。

不可思议的

“鲁伯特王子之泪”

我们先来看一个蝌蚪形的玻璃玩意儿。它的头部是一颗水滴形的玻璃球,后面拖着一条长长的、弯弯绕的尾巴。这玩意看似很普通、很不起眼,但它有一个好听的名字,叫“鲁伯特王子之泪(Prince Rupert’s drops)”,是以十七世纪英国国王查理二世的表兄鲁伯特王子的名字命名的,因为是王子最先把它带到英国的。

为什么它能得到这个殊荣呢?因为它是一种极其不可思议的东西!这个玻璃玩意儿,你用锤子打它,非但打不碎,锤子反而弹跳起来;但如果你把它的尾巴折断,它就自己瞬间碎成玻璃粉末了。这个过程,在网上有视频演示,感兴趣的读者可以找来看。

物理学家对此的解释是:“鲁伯特王子之泪”是由熔融的玻璃掉进冷水里快速冷却形成的。在形成过程中,储存了巨大的应变能(由内部张力形成的能量,比如上紧的发条也具有很大的应变能),所以连锤子砸下去都要反弹起来,就像砸到一个胀鼓鼓的东西上一样;但它的尾巴被折断之后,就好像气球漏气了一样,里面的应变能瞬间被释放出来,产生的冲击波让它自己分解成了粉末。

这个过程已经具备了爆炸的特点,只不过,爆炸力不是来自化学能的释放,而是来自机械能(应变能)的释放。

烧钻石当燃料——不现实

在美国陆军研究实验室,珍妮·詹金斯和她的同事一直在用纳米钻石做同样的尝试。钻石只能在高温、高压的极端条件下才能形成,在自然界中,它们一般形成于地球地幔深处。钻石是碳的一种“亚稳态”结构,就是说,它虽然在我们有生之年看起来是稳定的,但其稳定性比起碳的另一种存在形式——石墨还是稍差一些;如果从宇宙的时间尺度上看,以数亿年计,它们最终都会碎裂成更稳定的石墨,所以什么“钻石恒久远,一颗永流传。”之类的话别信!

从物理学的角度来看,可以把钻石看作是内部储存了大量应变能的石墨。不过,这个应变能是不容易释放出来的,所以钻石才相当稳定。

但如果钻石非常小,碎裂起来会更容易些。在临床上,医学研究人员已经使用纳米钻石来杀死癌细胞。他们让纳米钻石紧贴肿瘤,然后用紫外线照射,这会让它们迅速膨胀碎裂,从而达到炸死癌细胞的目的。

珍妮·詹金斯等人所做的实验则稍有不同,他们不是让纳米钻石碎裂爆炸,而是把许多纳米钻石塞进类似足球烯的六角形碳结构“网兜”里,施以高压;然后用高功率激光把足球烯爆破;于是,富有弹性的足球烯在高压下所储存的应变能瞬间被释放出来,形成第一次爆炸(这一次爆炸是机械能的释放)。

在爆炸中,冲击波会让足球烯内的纳米钻石像爆米花一样以极高的速度溅射出来。它们与空气发生摩擦之后,会迅速燃烧,从而产生高温、高压的气体;气体急剧膨胀,形成第二次爆炸(这一次是化学能的释放)。

这种爆炸产生的当量,远高于目前火箭燃料——氢氧混合剂燃烧时产生的当量,所以从理论上说,纳米钻石是未来做火箭燃料的理想材料。

不过有人指出,要实现这一点,需要高功率的激光来引爆;而如果要用于火箭燃料这样的规模上,需要的激光功率已超乎目前的技术水平,所以这一想法是不现实的。依我看,单单“烧钻石”这个念头,就已经够不现实了。

“现代版的硝化甘油”

其他一些人倒是现实得多。他们不想出奇招,他们只想老老实实沿着老路探索。那么,什么是老路呢?

我们目前已知的化学炸药的主要成分不论是硝石(硝酸钾)、硝化甘油还是TNT(三硝基甲苯)都有一个特点,即含有大量的氮元素。为什么这些炸药如此青睐氮呢?因为在所有分子中,唯有氮分子是由两个氮原子通过三个化学键连接成的。我们知道,能量储存在化学键里,一般来说,化学键越多,储存的能量也越多,当这些化学键断裂时,就会释放出可观的能量。因氮分子化学键的这个特性,现有的炸药中氮含量对爆炸威力有不小的影响,含氮量是用来衡量炸药威力的一项重要指标。

所以,按这个逻辑,多氮化物是威力更猛的理想候选者:取一群氮原子,将它们连接到一个大分子上,然后需要时把它们的化学键打断……于是Boom!理论上,多氮化物的威力应该是TNT的5倍以上。

这个设想还是很脚踏实地的吧?不过,制造多氮化物也并非易事。

理论表明,它们像钻石一样,也只有在高温、高压的极端条件下才能形成。在大约6万个大气压下,气态氮将变成固态。可是,要进一步制造出多氮化物,模型显示,至少需要大约200万个大气压!而且还不能保证这种多氮化物在压强降低时还能稳定存在。

美国国防高级研究计划署首席科学家克里斯特领导的一个小组自上世纪90年代以来,一直在研究如何制造多氮化合物。2002年,他们成功分离出一种有着5个氮原子的阳离子N5+。但要想往前继续走一步,合成纯净、电中性的多氮化物分子,就困难重重了。

然而,2017年早些时候,我国南京理工大学胡炳成教授领导的一个小组报道,他们合成了数量相当可观的一种多氮化物——全氮阴离子盐。这种全氮阴离子盐的分解温度高达116.8℃,所以在常温下很稳定,这就为室温下的应用提供了便利。更为可贵的是,其合成原料价格相当低廉。

紧随其后,美国陆军研究实验室的珍妮·詹金斯等人又在能产生巨大高压的金刚石压腔中,合成出另一种电中性的多氮化物。这种多氮化物是一种蓝色液体,密度是水的3倍,是液态氢的50倍。理论上,这种物质在同体积下,可以储存更多的能量。但实际应用中,该液体在室温下是不稳定的,与空气接触会发生爆炸。目前这种多氮化物总共只有3克,存放在77K的低温环境下。它的爆炸威力还无法测试,因为每次测试,至少要10克,而且还要重复多次。理论上,它的爆炸威力可达到TNT的3~10倍。

可以说,这是一种现代版的硝化甘油——威力巨大,但直接用起来又太危险。

威力最猛的“绿色炸药”

也许,多氮化物还不是威力最猛的炸药。

早在1935年,科学家就预言,氢还有一个金属态,叫金属氢。像钻石和多氮化合物,金属氢只能在巨大的温度和压力下形成。自然界中,木星等气态巨行星的中心可能具备产生金属氢的条件。

科学家预测,金属氢一旦形成,即使在室温和常强下,也能处于亚稳态,保持金属的特征;而最重要的是,当它升华(从固态直接变成气态)时,体积急剧膨胀,能产生剧烈的爆炸。每1克金属氢的爆炸威力是同质量TNT的50多倍。

2017年早些时候,美国哈佛大学伊萨克·西尔维拉领导的小组声称,他们利用一个金刚石压砧压缩固态氢,制造出一点点金属氢。样品直径大约15微米,厚几微米。不幸的是,压砧突然失灵,结果刚造出来的微量样品,就消失不见了。当然,其他研究人员对这一说法表示怀疑,除非该团队重复出实验。

就算制造出金属氢,搞清楚它在室温和常强下的性质,对于它的大规模制造,也至关重要。

如果金属氢在常压下是亚稳态,像钻石一样一旦形成就不容易分解,那么你一开始都不需要制造出很多;如果在室温下有一个样品,你就有了金属氢的“种子”,你只要不停地充氢气就可以让样品生长,因为它的表面可以吸附、凝聚更多的氢原子。否则,单靠实验室制造出那么一点量,是无法达到实际应用的目的。

能否制造成金属氢?金属氢在常压下是否稳定?目前这一切都还是悬念,我们且把它留给科学家去解决。对我们来说,如果金属氢能做火箭燃料,前景是非常诱人的。

首先,它是迄今除核弹外,科学家所能想象的威力最猛的炸药。理论上,其威力能达到TNT的35倍左右,这个用处就非常大了。我国目前威力最大的3吨级巡航导弹只能由轰6K战略轰炸机挂载。而一旦爆炸威力提高35倍,意味着在同等威力的情况下,巡航导弹的重量可以缩小到原先的1/35,3吨级的巡航导弹在使用金属氢以后,甚至可以将重量缩小到100千克以内。

其次,如果使用金属氢做火箭燃料,仅需要百吨级的小型火箭就能达到数吨的投送能力,届时不需要固定的发射塔,用车辆载着就可以随时随地发射,就能解决绝大多数卫星发射的问题,甚至可以让单级火箭突破大气层,大大减轻人类探索太空的难度。

最后一点,它还是一种非常环保的“绿色炸弹”和燃料。普通的火箭燃料,像高氯酸铵,会产生有毒和有腐蚀性的盐酸等副产品,所以在发射台区,每发射一次就必须清洗一次。纳米钻石燃烧之后变成二氧化碳,二氧化碳虽然无毒,但却是温室气体。多氮化物燃烧之后也会释放有毒气体。但金属氢燃烧,产生的只是水蒸气。

拓展阅读

炸药简史

炸药源于我国。至迟在唐代,我国已发明黑火药,其有效成分是硝酸钾,这是世界上最早的炸药。宋代,黑火药已被用于战争,它需要明火点燃,爆炸威力也不大。1831年,英国人比克福德发明了安全导火索,为炸药的应用创造了方便。威力较大的黄色炸药源于瑞典,由瑞典化学家、工程师和实业家诺贝尔发明。

1846年,意大利人索布雷罗合成硝化甘油,这是一种爆炸力很强的液体炸药,但使用极不安全。1859年后,诺贝尔父子三人对硝化甘油进行了大量的研究,用“温热法”降服了硝化甘油,于1862年建厂生产。但投产后不久,工厂即发生爆炸,父亲受了重伤,弟弟被炸死,政府禁止重建这座工厂。诺贝尔为减少搬动硝化甘油时发生危险,只好在湖面上一支驳船上进行实验。一次,他偶然发现,硝化甘油可被干燥的硅藻土所吸附,而这种混合物可安全运输。1865年,他发明雷汞雷管,与安全导火索合用,成为硝化甘油炸药等高级炸药的可靠引爆手段。经过不懈地努力,他终于研制出运输安全、性能可靠的黄色炸药——硅藻土炸药。随后,又研制出一种威力更大的同一类型的炸药——爆炸胶。约10年后,他又研制出最早的硝化甘油无烟火药——弹道炸药。

其他一些常规炸药还有TNT、黑索金和C4塑胶炸药。

许多人将TNT(三硝基甲苯)视为炸药的同义词,实际上,TNT只是应用最广的爆炸物。它是1863年由德国化学家威尔勃兰德发明的一种威力很强而又相当安全的炸药,在20世纪初开始广泛用于装填各种弹药和进行爆炸。在二战结束前,TNT一直是综合性能最好的炸药,被称为“炸药之王”。TNT爆炸威力是等重黑火药的14倍。

黑索金是1899年由德国人亨宁发明的。在原子弹出现以前,它是威力最大的炸药,又被称为“旋风炸药”。在二战之后,曾取代TNT登上“炸药之王”的宝座。

C4塑胶炸药(简称C4),是一种高效的易爆炸药,用火药(TNT、白磷等高性能爆炸物)与塑料混合制成。如果外边附上黏着性材料,就可以像口香糖那样牢牢地黏附在上面,因此被称为“残酷的口香糖”。这种炸药能轻易躲过X光检查,未经特定嗅觉训练的警犬也难以识别它。正是这两点,让恐怖分子对它青眼有加,近几年来已发生数起用C4塑胶炸药搞暗杀的事件,如2013年在伊拉克的一次宴会上,曾有女杀手用C4塑胶炸药制造了一起暗杀事件。

小贴士

金刚石压腔

这是实验室制造高压的一种小型设备。它由两颗尖对尖的金刚石组成。将样品放入两个尖之间,然后不断让两个尖之间的距离缩小。由于两颗金刚石接触面小,而外界加压的部分面积大,最后压力全集中在了金刚石的两个尖尖上。这样可使样品受压部分获得大约100万个大气压的高压——这是目前人力能获得的高压的极限。

 

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