尋找威力更猛的炸藥
「Boom！」隨著一聲巨響，2008年喬治亞薩凡納州的一家煉糖廠頃刻間灰飛煙滅。這次爆炸導致14人喪生。
你猜這起事故的元兇是什麼？糖！沒錯，是那吃起來甜甜的玩意兒！
恐怕很少有人知道，糖是一種爆炸物。它的爆炸威力甚至是等重TNT的四倍。這起爆炸就是精鍊細糖粉不小心引燃後發生的。
幸運的是，在正常情況下，需要很多細糖粉堆在一起才可能引爆，所以，對你家櫥櫃里的那點糖，你就放一百個心吧。
從黑火藥到黃色炸藥
火藥是我國古代的四大發明之一。早在一千多年以前，我們的祖先就開始使用黑火藥了。黑火藥中起爆炸作用的成分是硝石（化學名叫硝酸鉀）。但直到17世紀末，英國的科學家才通過實驗搞清楚黑火藥的工作原理。自那以後，人類尋找更好的炸藥的努力就沒有停止過。
繼硝石之後，為早期爆破手們青睞的炸藥，是硝化甘油。但硝化甘油臭名昭彰的一點是它非常不穩定，只要給予一點輕微的衝擊，就會爆炸。歷史上，人們為了降服它，想了很多辦法，也付出了生命的代價。直到1864年，瑞典化學家艾爾弗雷德·諾貝爾的硝化甘油工廠發生爆炸，在爆炸中他自己的弟弟喪生之後，他繼續頑強地通過試驗才發現，將硝化甘油與硅藻土混和，可以製造出一種雖然爆炸性能稍差，但更乾燥、更安全的版本。這種炸藥因含有硅藻土而顯黃色，所以叫黃色炸藥。改進後的炸藥很快就被用於爆破礦井、隧道，為修建鐵路和運河開山辟路，使得諾貝爾成為了一代富豪。
改進後的炸藥安全性能是提高了，但與此同時，爆炸威力卻削弱了，遠不及硝化甘油。之後研製出來的TNT等常規炸藥，雖然安全性能不斷提高，但爆炸威力卻提高得十分有限，滿足不了各方面越來越高的要求。
對威力更猛的爆炸物的需求
對威力更猛的爆炸物的需要，首先來自軍事上的用途。核彈當然是威力巨大又極具破壞性的，但大家都知道，核彈破壞性太大，而且有放射性污染，在局部戰爭中是不能輕易使用的。當前，美軍配備的威力最猛的常規炸彈叫MOAB，它有「炸彈之母（mother of all bombs）」之稱。它內含8噸多的炸藥，可以摧毀非常堅固的目標或者大範圍消滅地面部隊和裝甲武裝。2017年，美軍在阿富汗戰場上曾經用它來對付聖戰分子。
但是，軍隊還希望將來用微型炸彈裝備小型無人機，要求炸彈重量輕，但威力又不輸於大型炸彈，而現有的常規炸藥已滿足不了要求。
如果軍事上的需求讓人膽戰心驚，那麼讓我們再轉向人類另一個較為和平的抱負——太空探索。我們知道，地球上萬物都受到引力的制約，而擺脫地球引力的束縛需要很大的推力。早在1903年，在俄羅斯科學家齊奧爾科夫斯基推導出火箭方程之後，人們就一直在做這方面的努力。火箭科學需要解決的核心問題是，如何靠向下噴射爆炸性膨脹的氣體產生反作用力，來推動火箭升空。
然而，這裡遇到了一個困難：你想要產生更大的推力，需要更多的燃料；但是攜帶的燃料越多，需要的推力也就越大。這個矛盾意味著，要想讓火箭飛入太空，無論你使用多少常規炸藥都無濟於事。目前最先進的火箭採用液氫和液氧混合劑做燃料，這種燃料的能量密度更大。但即便如此，也只有2%的發射重量是有效負荷（火箭運送的用於直接執行特定任務的設備和系統），超過80%全是燃料，而且火箭只有在飛行中不斷減輕重量，才能到達預定軌道。這就是為什麼需要多級火箭的原因，因為它在升空時可以及時把空的燃料箱拋掉，以減輕負荷。
如果找到一種更好的燃料，同樣大小的火箭就可以把有效負荷大大提高，這將極大地節約衛星發射成本，為將來載人飛船來往於地球與火星或月球的基地提供便利。有了更好的燃料，甚至火箭和飛行器都不需要設計成多級的了。
正是這些需求，推動著世界各國的科學家去尋找新一代「極具破壞性的高能材料」，它的爆炸威力要超過以往任何一種炸藥。
不可思議的
「魯伯特王子之淚」
我們先來看一個蝌蚪形的玻璃玩意兒。它的頭部是一顆水滴形的玻璃球，後面拖著一條長長的、彎彎繞的尾巴。這玩意看似很普通、很不起眼，但它有一個好聽的名字，叫「魯伯特王子之淚（Prince Rupert』s drops）」，是以十七世紀英國國王查理二世的表兄魯伯特王子的名字命名的，因為是王子最先把它帶到英國的。
為什麼它能得到這個殊榮呢？因為它是一種極其不可思議的東西！這個玻璃玩意兒，你用鎚子打它，非但打不碎，鎚子反而彈跳起來；但如果你把它的尾巴折斷，它就自己瞬間碎成玻璃粉末了。這個過程，在網上有視頻演示，感興趣的讀者可以找來看。
物理學家對此的解釋是：「魯伯特王子之淚」是由熔融的玻璃掉進冷水裡快速冷卻形成的。在形成過程中，儲存了巨大的應變能（由內部張力形成的能量，比如上緊的發條也具有很大的應變能），所以連鎚子砸下去都要反彈起來，就像砸到一個脹鼓鼓的東西上一樣；但它的尾巴被折斷之後，就好像氣球漏氣了一樣，裡面的應變能瞬間被釋放出來，產生的衝擊波讓它自己分解成了粉末。
這個過程已經具備了爆炸的特點，只不過，爆炸力不是來自化學能的釋放，而是來自機械能（應變能）的釋放。
燒鑽石當燃料——不現實
在美國陸軍研究實驗室，珍妮·詹金斯和她的同事一直在用納米鑽石做同樣的嘗試。鑽石只能在高溫、高壓的極端條件下才能形成，在自然界中，它們一般形成於地球地幔深處。鑽石是碳的一種「亞穩態」結構，就是說，它雖然在我們有生之年看起來是穩定的，但其穩定性比起碳的另一種存在形式——石墨還是稍差一些；如果從宇宙的時間尺度上看，以數億年計，它們最終都會碎裂成更穩定的石墨，所以什麼「鑽石恆久遠，一顆永流傳。」之類的話別信！
從物理學的角度來看，可以把鑽石看作是內部儲存了大量應變能的石墨。不過，這個應變能是不容易釋放出來的，所以鑽石才相當穩定。
但如果鑽石非常小，碎裂起來會更容易些。在臨床上，醫學研究人員已經使用納米鑽石來殺死癌細胞。他們讓納米鑽石緊貼腫瘤，然後用紫外線照射，這會讓它們迅速膨脹碎裂，從而達到炸死癌細胞的目的。
珍妮·詹金斯等人所做的實驗則稍有不同，他們不是讓納米鑽石碎裂爆炸，而是把許多納米鑽石塞進類似足球烯的六角形碳結構「網兜」里，施以高壓；然後用高功率激光把足球烯爆破；於是，富有彈性的足球烯在高壓下所儲存的應變能瞬間被釋放出來，形成第一次爆炸（這一次爆炸是機械能的釋放）。
在爆炸中，衝擊波會讓足球烯內的納米鑽石像爆米花一樣以極高的速度濺射出來。它們與空氣發生摩擦之後，會迅速燃燒，從而產生高溫、高壓的氣體；氣體急劇膨脹，形成第二次爆炸（這一次是化學能的釋放）。
這種爆炸產生的當量，遠高於目前火箭燃料——氫氧混合劑燃燒時產生的當量，所以從理論上說，納米鑽石是未來做火箭燃料的理想材料。
不過有人指出，要實現這一點，需要高功率的激光來引爆；而如果要用於火箭燃料這樣的規模上，需要的激光功率已超乎目前的技術水平，所以這一想法是不現實的。依我看，單單「燒鑽石」這個念頭，就已經夠不現實了。
「現代版的硝化甘油」
其他一些人倒是現實得多。他們不想出奇招，他們只想老老實實沿著老路探索。那麼，什麼是老路呢？
我們目前已知的化學炸藥的主要成分不論是硝石（硝酸鉀）、硝化甘油還是TNT（三硝基甲苯）都有一個特點，即含有大量的氮元素。為什麼這些炸藥如此青睞氮呢？因為在所有分子中，唯有氮分子是由兩個氮原子通過三個化學鍵連接成的。我們知道，能量儲存在化學鍵里，一般來說，化學鍵越多，儲存的能量也越多，當這些化學鍵斷裂時，就會釋放出可觀的能量。因氮分子化學鍵的這個特性，現有的炸藥中氮含量對爆炸威力有不小的影響，含氮量是用來衡量炸藥威力的一項重要指標。
所以，按這個邏輯，多氮化物是威力更猛的理想候選者：取一群氮原子，將它們連接到一個大分子上，然後需要時把它們的化學鍵打斷……於是Boom！理論上，多氮化物的威力應該是TNT的5倍以上。
這個設想還是很腳踏實地的吧？不過，製造多氮化物也並非易事。
理論表明，它們像鑽石一樣，也只有在高溫、高壓的極端條件下才能形成。在大約6萬個大氣壓下，氣態氮將變成固態。可是，要進一步製造出多氮化物，模型顯示，至少需要大約200萬個大氣壓！而且還不能保證這種多氮化物在壓強降低時還能穩定存在。
美國國防高級研究計劃署首席科學家克里斯特領導的一個小組自上世紀90年代以來，一直在研究如何製造多氮化合物。2002年，他們成功分離出一種有著5個氮原子的陽離子N5+。但要想往前繼續走一步，合成純凈、電中性的多氮化物分子，就困難重重了。
然而，2017年早些時候，我國南京理工大學胡炳成教授領導的一個小組報道，他們合成了數量相當可觀的一種多氮化物——全氮陰離子鹽。這種全氮陰離子鹽的分解溫度高達116.8℃，所以在常溫下很穩定，這就為室溫下的應用提供了便利。更為可貴的是，其合成原料價格相當低廉。
緊隨其後，美國陸軍研究實驗室的珍妮·詹金斯等人又在能產生巨大高壓的金剛石壓腔中，合成出另一種電中性的多氮化物。這種多氮化物是一種藍色液體，密度是水的3倍，是液態氫的50倍。理論上，這種物質在同體積下，可以儲存更多的能量。但實際應用中，該液體在室溫下是不穩定的，與空氣接觸會發生爆炸。目前這種多氮化物總共只有3克，存放在77K的低溫環境下。它的爆炸威力還無法測試，因為每次測試，至少要10克，而且還要重複多次。理論上，它的爆炸威力可達到TNT的3～10倍。
可以說，這是一種現代版的硝化甘油——威力巨大，但直接用起來又太危險。
威力最猛的「綠色炸藥」
也許，多氮化物還不是威力最猛的炸藥。
早在1935年，科學家就預言，氫還有一個金屬態，叫金屬氫。像鑽石和多氮化合物，金屬氫只能在巨大的溫度和壓力下形成。自然界中，木星等氣態巨行星的中心可能具備產生金屬氫的條件。
科學家預測，金屬氫一旦形成，即使在室溫和常強下，也能處於亞穩態，保持金屬的特徵；而最重要的是，當它升華（從固態直接變成氣態）時，體積急劇膨脹，能產生劇烈的爆炸。每1克金屬氫的爆炸威力是同質量TNT的50多倍。
2017年早些時候，美國哈佛大學伊薩克·西爾維拉領導的小組聲稱，他們利用一個金剛石壓砧壓縮固態氫，製造出一點點金屬氫。樣品直徑大約15微米，厚幾微米。不幸的是，壓砧突然失靈，結果剛造出來的微量樣品，就消失不見了。當然，其他研究人員對這一說法表示懷疑，除非該團隊重複出實驗。
就算製造出金屬氫，搞清楚它在室溫和常強下的性質，對於它的大規模製造，也至關重要。
如果金屬氫在常壓下是亞穩態，像鑽石一樣一旦形成就不容易分解，那麼你一開始都不需要製造出很多；如果在室溫下有一個樣品，你就有了金屬氫的「種子」，你只要不停地充氫氣就可以讓樣品生長，因為它的表面可以吸附、凝聚更多的氫原子。否則，單靠實驗室製造出那麼一點量，是無法達到實際應用的目的。
能否製造成金屬氫？金屬氫在常壓下是否穩定？目前這一切都還是懸念，我們且把它留給科學家去解決。對我們來說，如果金屬氫能做火箭燃料，前景是非常誘人的。
首先，它是迄今除核彈外，科學家所能想像的威力最猛的炸藥。理論上，其威力能達到TNT的35倍左右，這個用處就非常大了。我國目前威力最大的3噸級巡航導彈只能由轟6K戰略轟炸機掛載。而一旦爆炸威力提高35倍，意味著在同等威力的情況下，巡航導彈的重量可以縮小到原先的1/35，3噸級的巡航導彈在使用金屬氫以後，甚至可以將重量縮小到100千克以內。
其次，如果使用金屬氫做火箭燃料，僅需要百噸級的小型火箭就能達到數噸的投送能力，屆時不需要固定的發射塔,用車輛載著就可以隨時隨地發射，就能解決絕大多數衛星發射的問題，甚至可以讓單級火箭突破大氣層，大大減輕人類探索太空的難度。
最後一點，它還是一種非常環保的「綠色炸彈」和燃料。普通的火箭燃料，像高氯酸銨，會產生有毒和有腐蝕性的鹽酸等副產品，所以在發射台區，每發射一次就必須清洗一次。納米鑽石燃燒之後變成二氧化碳，二氧化碳雖然無毒，但卻是溫室氣體。多氮化物燃燒之後也會釋放有毒氣體。但金屬氫燃燒，產生的只是水蒸氣。
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