氫與氮，未來(lái)的夢(mèng)想能源

鄭惇

電影《星際穿越》中，地球不再適宜人類(lèi)生存，為使人類(lèi)文明得以延續(xù)，美國(guó)宇航局提出了兩個(gè)計(jì)劃。A計(jì)劃是人類(lèi)太空移民；B計(jì)劃是尋找宜居星球，將主人公庫(kù)珀所在飛船上的人類(lèi)生殖細(xì)胞培育出新人類(lèi)，繼續(xù)人類(lèi)文明。撇開(kāi)電影的結(jié)局不談，這兩個(gè)計(jì)劃有一個(gè)共同之處，就是需要飛船，飛船要飛那么遠(yuǎn)，那么久，燃料儲(chǔ)備一定要充足。

目前，科學(xué)家們致力于研究含能材料。含能材料廣義上指蘊(yùn)含有大量可釋放化學(xué)能的一類(lèi)物質(zhì)，主要類(lèi)別包括發(fā)射藥、推進(jìn)劑、炸藥、煙火劑等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的新型含能物質(zhì)或復(fù)合物被發(fā)掘，也逐漸被納入含能材料的范疇之中。所以，現(xiàn)代的含能材料更多的是指含有爆炸性基團(tuán)或含有氧化劑和可燃物，能獨(dú)立地進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)并輸出能量的化合物或混合物。目前，聚合氮和金屬氫是科學(xué)家重點(diǎn)研究的含能材料。

聚合氮?dú)獬晒腆w燃料

聚合氮具有所含能量高、密度高、生成物為清潔的氮?dú)獾葍?yōu)點(diǎn)，是未來(lái)火箭推進(jìn)劑的理想燃料，然而，聚合氮并不容易獲得，理論上它的生成條件像形成金剛石那樣苛刻，但是大自然中有金剛石的存在，目前為止，我們卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)自然形成的聚合氮。氣態(tài)的氮在6萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下才會(huì)變成固態(tài)氮，試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻魃删酆系枰趯⒔?00萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的情況下，并且無(wú)法保證聚合氮能夠像金剛石一樣在氣壓減小后還維持穩(wěn)定狀態(tài)。

20世紀(jì)90年代，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署化學(xué)家克里斯特帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制全氮化合物，至2002年，他們成功地分離出了五氮陽(yáng)離子，遺憾的是五氮陽(yáng)離子難以大量結(jié)合，更別說(shuō)呈中性的聚合氮分子了。不久前，德國(guó)美因茨馬克思·普朗克科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)研究人員通過(guò)激光加熱微型金剛石小室內(nèi)的氮?dú)?，得到立方體偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)聚合氮，其密度是水的3倍，是液態(tài)氫的50倍。理論上，它可以存儲(chǔ)大量的能量。但實(shí)際上，它在室溫下極不穩(wěn)定，一旦接觸空氣就會(huì)劇烈反應(yīng)。

最近，南京理工大學(xué)研究人員發(fā)布他們的研究成果：首例五氮唑陰離子鹽的合成。他們的研究成果推動(dòng)了聚氮化合物應(yīng)用的進(jìn)程。

聚合氫氣成金屬

除了聚合氮，金屬氫同樣廣受關(guān)注。通常情況下，氫是以氣體形態(tài)出現(xiàn)的，木星的大氣就有82%的氫，但隨著深度的增加，氫逐漸變?yōu)橐簯B(tài)，在木星內(nèi)部的更深處，氫在高溫高壓的情況下會(huì)變成金屬氫。

據(jù)預(yù)測(cè)，金屬氫儲(chǔ)藏的能量是烈性炸藥TNT的50倍。相比之下，金屬氫的生成條件沒(méi)有聚合氮那么苛刻?，F(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)意識(shí)到，金屬氫可能在常溫常壓下仍然能維持穩(wěn)定。2017年，哈佛大學(xué)教授伊薩克·席爾瓦拉和他的團(tuán)隊(duì)成功制成金屬氫，這是地球上唯一一塊金屬氫樣品，被稱(chēng)為“無(wú)與倫比的成就”。然而，這塊金屬氫的地球之旅是短暫的，由于操作失誤，這塊唯一的金屬氫消失了！這塊金屬氫過(guò)快的消逝，使得對(duì)于它的品質(zhì)、特性、形態(tài)以及是否便于儲(chǔ)存都還不得而知。這也引起了一些專(zhuān)家的質(zhì)疑，表示只有能夠重復(fù)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)時(shí)他們才會(huì)承認(rèn)這一成果。

不管怎樣，科學(xué)家們共識(shí)是，金屬氫值得放手一搏，如果確定它能夠在常溫常壓下維持穩(wěn)定，那么它的應(yīng)用前景十分廣闊。尤其是應(yīng)用于航天領(lǐng)域，作為未來(lái)星際航行的燃料是非常值得期待的。

無(wú)論是聚合氮還是金屬氫，都有一個(gè)共同點(diǎn)：環(huán)境友好。無(wú)論是氮?dú)膺€是氫氣都是清潔氣體。我們期待著它們的成功運(yùn)用，這將是一次里程碑式的飛躍。endprint