我国又一领先项目：超TNT十倍能量的全氮炸药
我国又一领先项目：超TNT十倍能量的全氮炸药
在过去的一百年中，人类仅将炸药的威力提高两倍，而同期，飞机却从几十米的飞行距离，提升到搭载数百人飞跃大洋的水平，可见炸药的开发难度之大。现在，比TNT炸药威力大10倍的“聚合氮”、“金属氮”炸药即将问世，我国在这一领域具有领先优势。
提到炸药，人们脑海中首先就会想到瑞典化学家、工程师、发明家、军工装备制造商和炸药的发明者阿尔弗雷德·贝恩哈德·诺贝尔。的确，诺贝尔发明的安全硝化甘油被公认为炸药史上具有划时代意义的发明。有了这种炸药之后，人类进行矿产开发、修桥筑路、开挖隧道和河道等方面的能力才开始得到飞跃。当然，这种炸药也被大量用于军事领域，使得战争的破坏性空前加大。
对很多人来说，或许认为炸药不是什么高技术产品，因为能造炸药的国家实在太多了，甚至很多非国家行为体都能造炸药。这种看法不能完全说是错的，但明显低估了炸药技术。例如我们熟知的梯恩梯（TNT）是1863年制备出来的，而威力是梯恩梯1.58倍的黑索金到1899年才制备出来，时间相隔36年；威力是梯恩梯1.7倍的奥克托今则到了1941年才制备出来，时间相隔78年之久。目前威力最大的非核单质炸药CL-20（化学名称为六硝基六氮杂异伍兹烷）则是美国尼尔森博士在1987年发明的，距离奥克托今的发明时间又过去了46年，但其威力也才是梯恩梯的2倍。也就是说，在124年时间里，人类才把炸药的威力提高了2倍而已。而在同样的时间里，飞机却是从无到有，现在更是进入了隐身时代。两厢比较，炸药的技术难度是不是很大？炸药威力每提升一小步，都需要付出异常艰苦的努力。
实际上，即使到现在，黑索金、奥克托今、CL-20的生产难度仍然很大，产品很难提纯，所以应用范围并不广。例如奥克托今通常只是用于大威力的导弹战斗部，或者作为核武器的起爆装药和固体火箭推进剂；CL-20则到现在还未见进入武器装药的报道，主要是用于推进剂的组分。
值得一提的是，黑索金、奥克托今、CL-20等威力巨大的炸药都是含氮的，属于“氮炸药”。氮在元素周期表中算是“奇葩”之一，氮氮单键的能量要远小于其双键能量的一半或其三键能量的三分之一，而氮原子一向倾向于结成氮氮三键的氮气分子。除了另一朵奇葩氧元素之外，这种情况在别的元素中都不存在。这就造成了一个有趣的现象：一方面，占大气总量78%的氮气分子非常稳定；而另一方面，多氮化合物通常都非常不稳定。由于含氮氮单键或双键的多氮化合物降解成氮氮三键的氮气分子，能放出巨大的能量，所以含氮化合物也就成为含能材料，即炸药研究领域的宠儿。
既然含氮越多，炸药威力就越大。于是，人们现在就把目光放在了全氮含能材料的研究上。全氮结构本身亚稳定，容易分解并释放出大量的能量，其爆速在14000米/秒以上，足足比爆速9500米/秒的CL-20高出4500米/秒，能量水平是梯恩梯的3倍以上。全氮炸药，也就是不少科幻小说里的“N2爆弹”，特点是组成成分基本都是氮，爆炸后的分解产物主要是氮气，清洁无污染，而且不易被检测，在军事上具有低信号的优点。因此，全氮含能材料现在成为新型炸药的重要发展方向。如果全氮含能材料进入实用化，显然会引起炸药技术上一次新的革命。
目前研究全氮炸药的国家不少，但是从公开发表的论文情况来看，中国在全氮炸药技术上走在了世界前列。
2017年1月27日，著名的美国《科学》杂志上线了一篇南京理工大学化工学院胡炳成教授团队的论文，称在世界上首次合成了全氮阴离子（N5-）盐。该论文是南京理工大学首次在《科学》杂志上发表学术论文，也是中国含能材料领域在《科学》上发表的第一篇学术论文。全氮阴离子盐的能量密度是梯恩梯的3倍，其成功制备，是全氮类物质研究领域的一个历史性突破。
2017年8月28日，著名的英国《自然》杂志刊发了南京理工大学陆明教授课题组的论文《系列水合五唑金属盐含能化合物》，称我国在世界上首次制备出了全氮五唑阴离子的钠、锰、铁、钴和镁盐水合物，通过其单晶结构，系统地揭示了全氮五唑阴离子与金属阳离子的相互配位作用、与水的氢键作用，以及热稳定性规律。为研究全氮五唑阴离子与全氮阳离子组装，形成离子型全氮化合物材料，奠定了有力的科学基础支撑。
仅仅7个月之后，南京理工大学陆明教授课题组发表在英国《自然》杂志上的论文表明我国又在世界上首次制备出了全氮五唑阴离子的钠、锰、铁、钴和镁盐水合物，为研究全氮五唑阴离子与全氮阳离子组装，形成离子型全氮化合物材料，奠定了有力的科学基础支撑。
今年7月9日，《科技日报》报道，中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所亚历山大·冈察洛夫团队的科研人员成功合成了超高含能材料聚合氮和“金属氮”，相关结果发表在《自然》子刊上，固体物理研究所姜树清博士为文章第一作者。
氮气通常情况下是以无色无味的双原子气体分子形式存在，然而在极端高温高压条件下，氮分子会发生一系列复杂的结构和性质变化，比如分子发生解离进而发生聚合作用形成聚合氮或进一步形成“金属氮”，这两种材料的能量密度是梯恩梯的10倍多。
如果照着这个速度发展，作为“火药故乡”的中国，在未来很可能将在高能炸药领域走上世界巅峰。