甘氨酸亚铁结构式

说起火药，我们不得不提一个人，就是药王孙思邈。对，就是那个养老虎当宠物的那位。

在《诸家神品丹法》卷五中记载了，孙思邈创的“丹经内伏硫黄法”中就掌握了由硝石、硫磺、木炭混合在一起的火药配方。

唐人很快就把火药实践在了生活。在唐朝中后期，投石机飞出去的就不再是石头，而是火药了。把火药做成球状，用投石机给飞出去。后来火药首先传入阿拉伯国家,然后传到希腊和欧洲乃至世界各地。对人类社会的文明进步,对经济和科学文化的发展,起了推动作用。因此，“火药”也被称为中国四大发明之一。

对于高性能火药的追求从人类发现了火药的威力之后就从未停止。

1771 年，英国的P.沃尔夫合成了苦味酸，这是一种黄色结晶体，最初是作为黄色染料使用的（注意这一点，这说明其产生并没有受到所谓“黑火药的影响”，是偶然发现的，这也标志黄色炸药正式取代黑火药），后来发现了它的爆炸功能，十九世纪被广泛用于军事，用来装填炮弹。

1846年，意大利化学家A.索布雷把半份甘油滴入一份硝酸和两份浓硫酸混合液中而首次制得硝化甘油，硝化甘油是一种烈性液体炸药，轻微震动即会剧烈爆炸，危险性大，不宜生产。1862年，瑞典的A.B.诺贝尔研究出了用“温热法”制造硝化甘油的安全生产方法，使之能够比较安全地成批生产。

再后来，诺贝尔用硝化甘油代替乙醚和乙醇，也制成了类似的无烟火药。他还将硝酸铵加入达纳炸药，代替部分硝化甘油，制成更加安全而廉价的 “特种达纳炸药”，又称 “特强黄色火药”。

到如今，环三次甲基三硝胺（RDX）和TNT及相关混合装药共同统治了炸药领域的半壁江山。但是人类对于炸药的从来没有停止。

目前，基于化学能的含能材料已经到达了一个瓶颈，高能量密度炸药成为了科学家探索的一个新方向。而超高能量密度材料的标准大概只有金属氢、全氮类物质和核同质异能素之类才能达到。

含能材料（Energetic Material）是一类含有爆炸性基团或含有氧化剂和可燃物、能独立进行化学反应并输出能量的化合物或混合物，是军用炸药、发射药和火箭推进剂配方的重要组成部分。

氢本身就是一种能量巨大的燃料，在常温下是一种气体，在低温下可以成为液体，在温度降到零下259℃时即为固体。如果对固态氢施加几百万个大气压的高压，就可能成为金属氢。地球自然界是不存在金属氢的，人们预计，在木星和土星地核处的强大压力和低温下，才会存在液态和固态的金属氢。

金属氢更是一种高密度、高储能材料，而且还可能具备高温超导性，其本身就储藏着十分巨大的能量，这一数值理论上比普通的TNT炸药要大30─40倍，这样的威力单独用于做炸弹就已经非常厉害了，如果能够将其用于战术型氢弹初级，取代原先的核裂变材料，那威力更是不可小觑，因此被美方的科研人员视为制造“亚核”武器的理想材料。

到目前为止只有美国的哈佛大学实验室声称成功制造出金属氢。不过该样本已于2017年2月22日由于操作失误而消失，不过哈佛大学实验室的这一成果还是饱受各国科学界的争议，很多机构都认为哈佛在这一实验上造假。

另外金属氢还处于一次做出微克级，用的还是极其昂贵的仪器——金刚石对顶砧，所以可能离实用还有很大的距离。

金刚石对钻

全氮类物质主要包括离子型、共价型和聚合氮等3类，随着研究的不断深入，人们对全氮结构的了解程度不断提高。全氮类超高含能材料（炸药）的能量可达3倍TNT以上，具备高密度、高能量、爆轰产物清洁无污染（爆炸产物为氮气，无污染）、稳定安全等特点。理论上，全氮类物质的能量水平可达10^4~10^5焦耳/克级别。

全氮类物质的相关材料的研制成功有望在炸药、火箭推进剂和新一代无污染氢弹等领域产生惊人的发展。甚至能够用来制造科幻片中的“N2爆弹”。

但是人们对全氮类物质的了解一直没有取得深入进展，1772年从大气中分离出来 N2 以后 ，直 到 1890 年 Curtius 和 Radenhausen 才 发 现了第一种全氮离子 N3- ，但此后，其他与全氮物质的相关研究一度止步不前。第二次世界大战以后，相关全氮物质的研究得到了极大关注:在合成方面，用于制备全氮离子的前驱体芳基五唑直到1956年首次被合成，全氮类化合物的理论计算也得到了进一步的发展。

1998年，美国科学家卡尔·克里斯特于合成了一种名为“N5+”的物质（也就是全氮阳离子），仅仅盐粒大小，就炸毁了一个通风橱，又称为“盐粒炸弹”。让人类第一次见识到了纯氮物种的威力。这是在化学史上自 N3- 以后百年来第一次得到 N5 粒子，是有史以来分离出来的第三个全氮物质。

被炸毁的实验室

但是人们后来想要稳定地制备出全氮阳离子一直没有成功，从那以后，关于全氮类物质的研究进展就几乎为零。

全氮阳离子

而我国科学家来自南理工的胡炳成教授团队成功合成世界首个全氮阴离子盐（N5-)。而这也表示我国以后的军事力量大概会和周边地区形成断代级别的差异。

因为没有找到胡炳成教授的照片，所以放一个南京理工大学的牌子

合成全氮阴离子盐（N5-)最大的困难就是五元氮环不稳定，即使很弱的氧化剂也能造成其分解。正如我们在文章中论述的那样，Fe3+都能造成氮氮键的断裂，这也是国内外科学家们一直未能切断C-N键而保持五元氮环的完整性的原因，这是一项困扰科学界长达半个世纪的难题！

而胡炳成教授团队创造性采用间氯过氧苯甲酸和甘氨酸亚铁分别作为切断试剂和助剂，通过氧化断裂的方式首次制备成功室温下稳定全氮阴离子盐。热分析结果显示这种盐分解温度高达116.8 ℃，具有非常好的热稳定性。

全氮阴离子盐 图源：知乎 博丽灵梦

胡炳成教授表示，在全氮阴离子盐中N5ˉ离子呈环状结构，五个氮原子上的电子离域共轭而使N5ˉ离子环具有一定的芳香性，而之前美国合成的全氮阳离子N5＋是链状的，因此，全氮阴离子的稳定性好于全氮阳离子。

另外在合成方面全氮阴离子盐具有实验操作简单，所用原料都很安全，不存在毒性和腐蚀性，而全氮阳离子的合成需要使用毒、腐蚀性大的氢氟酸。

合成路线以及同位素标记的产物合成（图源：知乎 博丽灵梦）

全氮阴离子盐的爆炸能量达到TNT炸药的3-10倍，最高可以达到25~35倍。爆速从9000米每秒提升到14000米每秒以上，爆压从30至40吉帕提升到90吉帕。

作为广岛原子弹引发临界核裂变效果“扳机”的奥克托今炸药，其爆能也不过是1.7倍TNT的威力。如果我们能够将全氮阴离子盐百分百发挥，那么我们在火力上甚至能够压制美国。

除了可以作为炸药之外，在用作火箭推进剂时，全氮高能材料能显著延长发动机的工作时间（即提高比冲），更高比冲的固体发动机在不增加导弹体积的情况下，将显著提升导弹射程。你可以想象一下，如果结合大威力高能炸药，现有体系下的中距弹就可能达到霹雳-1X的性能水平，具备超远射程和对超音速巡航目标的杀伤能力。

因为更小的体积拥有更强的威力，战斗机可以像战舰一样携带大量的导弹进行作战。而在作为核武器扳机方面，在同等威力的情况下至少可以缩小一半的体积和质量。

举个例子，美国的大型运输机MC-130型号机，可以载重13600千克。重达9800公斤的GBU-43炸弹相当于11吨TNT炸药的效果，那么相同重量的全氮阴离子盐炸药呢？

现有高能炸药中，哪怕是奥克托今炸药也因为成本高昂，与TNT混用并且只使用于导弹和水中兵器的高能战斗部上。如果全氮阴离子盐的合成产率没有问题，其应用要比现有的各种硝基高能炸药更为广泛——甚至真有在“当量价格比”上超过TNT的可能。

作为氢弹的常规装药的设想，以其可能的综合性能，只要找到合适的中子源可能就有希望。但至少可以在同等威力的前提下，缩小一半的体积和质量。

如果再搭配其他高精尖技术，比如说王海福教授的“活性毁伤元技术”，王海福教授研发的“活性毁伤元技术”具备动能穿孔和爆炸作用双重毁伤机制，高速命中目标发生爆炸，其爆炸原理应当来自材料与硬质物体高速撞击的能量。要发挥新型破片最大杀伤力，最好是目标外部结构强度较弱，容易被贯穿，内部又有结构强度 较高的目标，在被撞上后可以引爆毁伤元件，造成更大破坏。

如果这项技术配合全氮阴离子盐，穿甲爆破燃烧瞬间完成，那真的叫毁天灭地。（PS：这项技术在国家科学技术奖励大会获得了二等奖）
　　

最重要的是，全氮阴离子盐合成原料价格相当低廉。选用的材料中最贵的也不过就是甘氨酸亚铁[Fe(Gly)2]，真真是白菜价！

古代中国自从发现黑火药以来，在相关领域一直是世界领先。直到明代时，中国的火铳和其他热兵器也十分先进。但是在近代，由于没能跟上科技进步，被当年自己发明的火药打开了大门。

而如今全氮阴离子盐的合成则表示我们中国人在新一代火药制成上走在了世界先列的位置，重新为我们挣回了一口气。除此之外，中科院中科院合肥物质科学研究院亚历山大·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”。

目前，只有中国在新一代火药上取得了多方面的突破，就连美国都没有稳定地合成出金属氢或者纯氮类物质。可以说，中国在新一代火药上可以说实实在在地全方位领先世界，笑傲全球，未来，运用在高能战斗部、核武器常规装药和高能固体推进剂方面。也将会成为国家的核心威慑力量。

目前胡炳成还在为实现全氮阳离子（N5＋）和五唑阴离子（N5ˉ）的成功组合而努力，让我们一起为他加油！

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