橱柜里的那点糖，你就放一百个心

“繁荣！” 2008年，伴随着一声巨响，佐治亚州萨凡纳的一家糖厂瞬间被夷为平地，爆炸造成14人死亡。

您认为这起事故的罪魁祸首是什么？ 糖！ 是的，就是那种味道甜甜的东西！

恐怕很少有人知道糖是一种爆炸​​物。 其爆炸威力甚至是同等重量的TNT炸药的四倍。 爆炸是在精制细糖粉意外点燃后发生的。

幸运的是，一般情况下，需要大量的细糖粉才会爆炸，所以要小心柜子里的糖。

从黑色火药到黄色炸药

火药是我国古代四大发明之一。 早在一千多年前，我们的祖先就开始使用黑火药。 黑火药的爆炸成分是硝石（化学名称为硝酸钾）。 但直到17世纪末，英国科学家才通过实验弄清楚了黑色火药的工作原理。 此后，人类寻找更好炸药的努力就没有停止过。

继硝石之后，早期爆破专家青睐的炸药是硝化甘油。 但硝化甘油因极不稳定而臭名昭著，只要受到最轻微的撞击就会爆炸。 历史上，人们曾尝试过多种方式来征服它，并付出了生命的代价。 直到1864年，瑞典化学家阿尔弗雷德·诺贝尔的硝化甘油工厂发生爆炸，他的亲弟弟在爆炸中丧生。 他继续顽强地进行实验，发现将硝化甘油与硅藻土混合可以创造出一种更干燥、更安全的版本，尽管爆炸性稍低。 这种炸药因含有硅藻土而呈黄色，故称黄色炸药。 改进后的炸药很快就被用来爆破矿井和隧道，并开辟道路修建铁路和运河，使诺贝尔成为了富翁。

改进后的炸药安全性能有所提高，但同时爆炸威力有所减弱，远不及硝化甘油。 随后开发的TNT等常规炸药的安全性能虽然不断提高，但爆炸威力却十分有限，无法满足各方面日益提高的要求。

对威力更强的炸药的需求

对威力更强的炸药的需求首先来自于军事用途。 核弹当然威力极大，破坏力也极大，但是大家都知道，核弹破坏力太大，而且含有放射性污染，所以在局部战争中不太容易使用。 目前，美军装备的威力最强的常规炸弹称为MOAB，被誉为“所有炸弹之母”。 它含有超过8吨的炸药，可以摧毁非常坚固的目标或大规模摧毁地面部队和装甲部队。 2017年，美军用它来对付阿富汗战场上的圣战分子。

不过，军方也希望未来能用微型炸弹装备小型无人机。 炸弹要求重量轻，但威力不低于较大的炸弹。 然而，现有的常规炸药已不能满足要求。

如果军事需求令人望而生畏，那么让我们转向人类的另一个更和平的野心——太空探索。 我们知道地球上的一切都受到重力的限制，想要摆脱地球重力的束缚需要很大的推力。 早在1903年，俄国科学家齐奥尔科夫斯基推导出火箭方程后，人们就一直在这方面做出努力。 火箭科学需要解决的核心问题是如何通过向下喷射爆炸性膨胀的气体产生反作用力将火箭推向空中。

然而，这里有一个困难：如果你想产生更大的推力，你需要更多的燃料；如果你想产生更大的推力，你需要更多的燃料。 但携带的燃料越多，需要的推力就越大。 这个悖论意味着无论你使用多少传统炸药将火箭送入太空，它都不起作用。 目前最先进的火箭采用液氢和液氧的混合物作为燃料，其能量密度更大。 但即便如此，发射重量中也只有2%是有效载荷（火箭运载的直接执行特定任务的设备和系统），80%以上是燃料，火箭只有不断地输送才能到达预定目的地。在飞行过程中减轻其重量。 追踪。 这就是需要多级火箭的原因，因为它们可以在升空时抛弃空燃料箱以减少负载。

如果找到更好的燃料，同样尺寸的火箭可以大大增加有效载荷，这将大大节省卫星发射成本，并为未来载人航天器往返于地球和火星或月球基地之间提供便利。 有了更好的燃料，甚至火箭和飞机也不需要设计成多级的。

正是这些需求，驱使世界各地的科学家去寻找爆炸威力超过以往任何炸药的新一代“极具破坏性的高能材料”。

极好的

《鲁珀特王子的眼泪》

我们先来看一个蝌蚪形状的玻璃东西。 它的头部是一个水滴状的玻璃球，后面拖着一条长长的、蜿蜒的尾巴。 这东西看上去很普通、不起眼，但是它有一个好听的名字，“鲁珀特王子的眼泪”，以十七世纪英国国王查理二世的表弟鲁珀特的名字命名。 它以王子的名字命名，因为他是第一个将它带到英国的人。

为何能获此殊荣？ 因为那是一件极其不可思议的事情！ 如果你用锤子敲击这个玻璃东西，它不但不会破碎，锤子还会弹起来； 但如果你打断它的尾巴，它会立即碎成玻璃粉末。 网上有这个过程的视频演示，有兴趣的读者可以看一下。

物理学家对此的解释是：“鲁珀特王子之泪”是当熔融玻璃滴入冷水并迅速冷却时形成的。 在形成过程中，储存了大量的应变能（由内部拉力形成的能量，比如紧绕的弹簧也有大量的应变能），所以即使用锤子敲击它，它也会反弹，就像击打一个鼓起的球。 鼓鼓的东西是一样的； 但它的尾巴被折断后，就像是泄了气的气球，里面的应变能瞬间释放出来，产生的冲击波让它碎成粉末。

这个过程已经具备爆炸的特征，但爆炸力并非来自化学能的释放，而是来自机械能（应变能）的释放。

燃烧钻石作为燃料——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尝试用纳米金刚石做同样的事情。 钻石只有在高温高压的极端条件下才能形成。 在自然界中，它们通常形成于地幔深处。 金刚石是碳的“亚稳态”结构，也就是说，虽然在我们的一生中它看起来很稳定，但其稳定性仍然比碳的另一种形式石墨稍差； 如果从宇宙的时间尺度来看，几亿年之后，它们最终会分解成更稳定的石墨，所以不要相信“钻石恒久远，钻石恒久远”这句话。

从物理学的角度来看，金刚石可以被认为是内部储存有大量应变能的石墨。 然而，这种应变能不容易释放，因此钻石相当稳定。

但如果钻石很小，就更容易破碎。 临床上，医学研究人员已使用纳米金刚石来杀死癌细胞。 他们将纳米金刚石附着在肿瘤上，然后用紫外线照射它们，使它们迅速膨胀和破碎，从而杀死癌细胞。

Jenny 等人进行的实验略有不同。 他们没有让纳米金刚石碎裂和爆炸，而是将许多纳米金刚石塞进类似于足球烯的六边形碳结构“网袋”中，并施加高压； 然后用高功率激光将足球烯引爆； 然后，高压下弹性足球烯中储存的应变能瞬间释放，形成第一次爆炸（这次爆炸是机械能的释放）。

在爆炸中，冲击波会导致巴烯中的纳米金刚石像爆米花一样以极高的速度溅射出来。 它们与空气摩擦后迅速燃烧，产生高温高压气体； 气体迅速膨胀，形成第二次爆炸（这次释放化学能）。

这种爆炸产生的产量远高于目前火箭燃料-氢-氧混合物燃烧时产生的产量。 因此，从理论上讲，纳米金刚石是未来火箭燃料的理想材料。

不过，也有人指出，要实现这一点，需要高功率激光来引爆； 而如果要用于火箭燃料这样的规模，所需的激光功率已经超过了目前的技术水平，所以这个想法是不现实的。 在我看来，“燃烧钻石”的想法已经够不现实的了。

“现代版的硝酸甘油”

其他人则更现实。 他们不想制造任何惊喜，只想沿着老路探索。 那么，什么是老路呢？

无论是硝石（硝酸钾）、硝化甘油还是TNT（三硝基甲苯），我们目前所知的化学炸药的主要成分都有一个特点，那就是含有大量的氮。 为什么这些炸药如此青睐氮气？ 因为在所有分子中，只有氮分子是由两个氮原子通过三个化学键连接而成的。 我们知道能量储存在化学键中。 一般来说，化学键越多，储存的能量就越多。 当这些化学键断裂时，会释放大量能量。 由于氮分子化学键的这一特性，现有炸药中的氮含量对爆炸威力有相当大的影响。 氮气含量是衡量炸药威力的重要指标。

因此，按照这种逻辑，聚氮化物是更强大的东西的理想候选者：将一堆氮原子，将它们连接到一个大分子上，然后在必要时打破它们的键......然后繁荣！ 理论上，聚氮化物的威力应该是TNT的五倍以上。

这个想法还是很接地气的吧？ 然而，制造聚氮化物并不容易。

理论表明，像钻石一样，它们只能在高温高压的极端条件下形成。 在大约60,000个大气压下，气态氮将变成固态。 然而，模型显示，要进一步制造聚氮化物，至少需要约 200 万个大气压！ 并且不能保证这种多氮化物在压力降低时保持稳定。

美国国防高级研究计划局首席科学家 Krist 领导的团队自 20 世纪 90 年代以来一直在研究如何制造多氮化合物。 2002年，他们成功分离出具有5个氮原子的阳离子N5+。 但如果想更进一步，合成纯净的、电中性的聚氮化物分子，那就很困难了。

然而，早在2017年，我国南京理工大学胡秉成教授领导的课题组就报道称，他们合成了相当数量的一种多氮化合物——总氮阴离子盐。 该总氮阴离子盐的分解温度高达116.8℃，因此在室温下非常稳定，有利于室温下的应用。 更可贵的是，其合成原料的价格相当低廉。

紧接着，美国陆军研究实验室的珍妮·詹金斯等人在金刚石压力室内合成了另一种电中性聚氮化物，可以产生巨大的高压。 这种聚氮化物是一种蓝色液体，密度是水的三倍、液氢的50倍。 理论上，这种材料可以在相同的体积内储存更多的能量。 但在实际应用中，该液体在室温下不稳定，与空气接触会发生爆炸。 目前这种聚氮化物总共只有3克，储存在77K的低温环境中。 它的爆炸威力目前还无法测试，因为每次测试至少需要10克，而且必须重复多次。 理论上，其爆炸威力可达到TNT的3至10倍。

可以说，它是现代版的硝酸甘油，功能强大，但直接使用太危险。

最强“绿色炸药”

也许，聚氮化物并不是威力最强的炸药。

早在1935年，科学家就预测氢也会有金属态，称为金属氢。 与钻石和多氮化合物一样，金属氢只能在极高的温度和压力下形成。 在自然界中，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，即使在室温和正常强度下也会处于亚稳态，保持金属的特性； 最重要的是，当它升华时（直接从固态变成气态），它的体积会迅速膨胀，可以产生剧烈的爆炸。 1克金属氢的爆炸威力是同质量TNT的50倍以上。

2017年初，美国哈佛大学Isaac 领导的团队声称，他们使用金刚石砧压缩固体氢，并产生了一点金属氢。 样品直径约为 15 微米，厚度为数微米。 不幸的是，铁砧突然失效了，结果，刚刚产生的微量样本就消失了。 当然，其他研究人员对这一说法持怀疑态度，除非该团队重复该实验。

即使产生了金属氢，了解其在室温和正常强度下的性质对于其大规模生产也至关重要。

如果金属氢在常压下是亚稳定的，并且一旦形成就不会像金刚石那样轻易分解，那么你一开始就不需要制造大量金属氢； 如果你有一个室温下的样品，你就有了金属氢的“种子”。“你只需要不断地向它填充氢气，就能让样品生长，因为它的表面可以吸收并凝结更多的氢原子。否则，它就会仅在实验室少量生产不可能实现实际应用。

金属氢能产生吗？ 金属氢在常压下稳定吗？ 目前，这一切仍然是一个悬念，留给科学家们来解答。 对于我们来说，如果金属氢能够用作火箭燃料，前景是非常诱人的。

首先，它是迄今为止科学家能想象到的除核弹之外威力最强的爆炸物。 理论上它的威力可以达到TNT的35倍左右，非常有用。 我国目前威力最大的3吨级巡航导弹只能挂载在轰6K战略轰炸机上。 一旦爆炸威力提升35倍，就意味着在相同威力下，巡航导弹的重量可以减少到原来的1/35。 使用金属氢后，3吨重的巡航导弹的重量甚至可以减轻到100公斤。 之内。

其次，如果使用金属氢作为火箭燃料，只有百吨级别的小型火箭才能达到数吨的运载能力。 届时，将不再需要固定发射塔。 可以随时随地使用车辆发射，这就解决了问题。 大多数卫星发射的问题甚至可以让单级火箭突破大气层，大大缓解了人类探索太空的难度。

最后，它还是一种非常环保的“绿色炸弹”和燃料。 普通火箭燃料（例如高氯酸铵）会产生有毒且具有腐蚀性的盐酸等副产品，因此每次发射后都必须清洁发射台区域。 燃烧后，纳米金刚石变成二氧化碳。 尽管二氧化碳无毒，但它是一种温室气体。 多氮化物燃烧后也会释放有毒气体。 但当金属氢燃烧时，仅产生水蒸气。

延伸阅读

炸药简史

炸药起源于我国。 早在唐代，我国就已经发明了黑色火药，其活性成分是硝酸钾，是世界上最早的炸药。 到了宋代，黑色火药就已用于战争。 它需要明火才能点燃，爆炸威力并不大。 1831年，英国人比克福德发明了安全引信，使炸药的使用更加方便。 威力更强的黄色炸药起源于瑞典，由瑞典化学家、工程师和实业家诺贝尔发明。

1846年，意大利索布雷罗合成了硝化甘油，这是一种高爆炸性液体炸药，但使用起来极不安全。 1859年后，诺贝尔父子对硝化甘油进行了大量研究，采用“升温法”攻克了硝化甘油，并于1862年建厂进行生产。然而，投产后不久，工厂发生了爆炸。 我的父亲受了重伤，我的兄弟被杀。 政府禁止重建工厂。 为了减少搬运硝化甘油时的危险，诺贝尔不得不在湖上的一艘驳船上进行实验。 有一次，他偶然发现硝化甘油可以被干燥的硅藻土吸附，并且混合物可以安全运输。 1865年，他发明了雷酸汞雷管，与安全引信相结合，成为引爆硝化甘油炸药等先进炸药的可靠手段。 经过不懈的努力，他终于研制出了硅藻土炸药，这是一种运输安全、性能可靠的黄色炸药。 后来，又研制出了一种威力更大的同类型炸药——炸药胶。 大约10年后，他研制出了最早的硝化甘油无烟火药弹道炸药。

其他一些常规炸药包括 TNT、RDX 和 C4 塑料炸药。

很多人把TNT（三硝基甲苯）视为炸药的代名词。 事实上，TNT只是使用最广泛的炸药。 它是德国化学家威尔布兰德于1863年发明的一种威力非常大且相当安全的炸药，20世纪初开始广泛用于装载各种弹药并爆炸。 二战结束前，TNT是综合性能最好的炸药，被誉为“炸药之王”。 TNT炸药的爆炸威力是同等重量黑火药的14倍。

RDX是德国人亨宁于1899年发明的，在原子弹出现之前，是威力最强的炸药，又称“旋风炸药”。 二战后，它取代TNT成为“炸药之王”。

C4塑料炸药（简称C4）是由火药（TNT、白磷等高性能炸药）和塑料混合制成的高效炸药。 如果外面贴上粘性材料，就能像口香糖一样粘在上面，所以被称为“残酷口香糖”。 这种爆炸物很容易逃避X射线检查，而且未经特殊嗅觉训练的警犬很难识别它。 正是这两点让恐怖分子青睐有加。 近年来，已发生多起使用C4塑料炸药的暗杀事件。 例如，2013年伊拉克的一次宴会上，一名女杀手使用C4塑料炸药制造了炸弹。 一起暗杀事件。

尖端

金刚石压力室

这是实验室中用来产生高电压的小型设备。 它由两颗相互指向的钻石组成。 将样品放置在两个尖端之间，并且不断减小两个尖端之间的距离。 由于两颗金刚石之间的接触面积较小，而外部受压部分的面积较大，因此最终压力全部集中在金刚石的两个尖尖上。 这样，样品的加压部分可以获得约100万个大气压的高压——这是目前人类所能获得的高压的极限。