杂谈|堪比核燃料的全氮高能分子

除夕当天，南京理工大学胡炳成教授团队在《Science》上发文，报道首次成功合成全氮阴离子盐cyclo-N₅^– ,该阴离子在117℃以下能够稳定存在于(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl中。而在此之前，cyclo-N₅^–只有在低温下才能稳定存在，并且需要借助芳香环的共轭作用。五氮杂茂(HN5)，是由5个氮原子组成的环状分子，已经被科学家们研究了大半个世纪了。HN5及其阴离子cyclo-N₅^–都是极具潜力的高能物质。

那么有人会问既然是高能物质，是不是和TNT差不多用来造炸弹用的？答对了一半，不是造炸弹而是“爆弹”，威力堪比核武器。其能量水平可达10~100kJ/g级别，这相当于TNT炸药(4.65kJ/g)的几十倍，不仅可用于制造更大威力的炸药、发射药、推进剂，也有望用于制造不需核裂变起爆的“干净”氢弹。这要归功于它们的高密度、高能量、爆轰产物清洁无污染((N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的分解产物是H2O和HN3，而并非网络上所报道的爆炸产物为N2)、稳定安全等特点。

图1.(A) Ellipsoid plot of (N5)6(H3O)3(NH4)4Cl at the 50% probability level. The occupancies of H3O+ (O1), H3O+(O2), Clˉ, N5ˉ, and NH4⁺ are 1/12, 1/24, 1/24, 1/4, and 1/6, respectively. (B)Schematicrepresentation of the hydrogen-bonded motifs in the crystal structure.Ellipsoids are plotted at the 50% probability level. Hydrogen bonds areindicated as green dotted lines.

图2.核磁共振图谱，其中N-1和N-2代表¹⁵N的位置。(A)(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的¹⁵N核磁共振图谱. (B)(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的¹⁵N核磁共振图谱，其中¹⁵N原子位于 N-1 位置；(C) (N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的¹⁵N核磁共振图谱, 其中¹⁵N原子位于 N-1 和N-2位置。（此表征用来证明作者合成的是全氮阴离子盐cyclo-N₅^–）。

图3. (A)(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl和NH4Cl的红外图谱；(B)(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl和NH4Cl的拉曼图谱。作者通过扣除NH4Cl的红外图谱，发现cyclo-N₅^–的红外峰出现在1224cm^-1(E1’)，这一结果与量化计算得出的1284cm^-1非常接近。另外，作者测量得出的(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的特征峰位于1184 cm^-1(A1’), 1117cm^-1(E2’)和 1021cm^-1(E2’)，这一结果与量化计算得出的1222，1124和1059cm^-1也非常接近。（此表征用来进一步证明作者合成的是全氮阴离子盐cyclo-N₅^–）。

图4. (A) (N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的TG-DSC-DTG曲线，升温速率10K/min，结果表明(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl可承受的最高分解温度为116.8℃；(B)氮气氛围中，(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl气态分解产物的红外曲线，结果表明，(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的分解产物是H2O和HN3。

有意思的是，就在除夕前一天，美国哈佛大学科学家Ranga P. Dias和Isaac F. Silvera也在《Science》杂志上发布了获取金属氢的相关报告，宣布成功制取金属氢。此次试验，哈佛科学家利用金刚石对顶砧容器技术(diamond anvil cell ; DAC)在495GPa下获得了金属氢。

图5.在不同压力下氢的存在状态。

图6.氢的相图

氢原子在高压状态下呈现金属性。同全氮环状物质相似，金属氢在高能炸药，火箭燃料领域有着广阔的应用前景。其能量密度可高达218kJ/g，是TNT炸药(4.65kJ/g)的50余倍，是综合性能最好的奥托金HMX炸药(5.53kJ/g)的40余倍。

最后还是衷心希望科学的发展是为人类服务，为我们架起守护国土的钢铁长城。

[1]Chong Zhang, Chengguo Sun, Bingcheng Hu, Chuanming Yu, Ming Lu, Synthesis and characterization of the pentazolate anion cyclo-N₅^– in (N₅)₆(H₃O)₃(NH₄)₄Cl, Science 355, 374–376 (2017).

[2]Ranga P. Dias and Isaac F. Silvera, Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen, Science 10.1126/science.aal1579 (2017).

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