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        高能材料微觀理論研究中的分與合

        2015-05-10 01:06:23肖鶴鳴,朱衛(wèi)華,肖繼軍
        含能材料 2015年11期
        關(guān)鍵詞:鶴鳴高能量科學(xué)出版社

        羅貫中在《三國演義》開篇中寫道“天下大勢,分久必合,合久必分”,概括的是朝代更換,適用于人類社會。我們以為,這也符合自然科學(xué)發(fā)展的規(guī)律和大勢。而且分中有合,合中有分;分合有序,天地永恒;分合失度,后果堪憂。本文以火炸藥、理論與計算化學(xué)的發(fā)展史,以及近幾十年“量子炸藥化學(xué)”的研究經(jīng)歷,對這些觀點(diǎn)略加說明。

        一、 火炸藥分與合的發(fā)展史

        縱觀千余年,火炸藥大體可分為三個發(fā)展期,構(gòu)成一部分與合的發(fā)展史。

        1.黑火藥時期(從9或10世紀(jì)到19世紀(jì)初)

        將近一千年,人類所使用的爆燃物,從中國流傳到全世界都是黑火藥。黑火藥由硫磺、硝石(硝酸鉀)和木炭三者混合而成。三種組分性能各異,分別使用一段時間后,聰明的祖先發(fā)明黑火藥,顯現(xiàn)“分久必合”;黑火藥兼具燃燒發(fā)射和爆炸摧毀功能,既是火藥,又是炸藥,取決于如何配比和使用。足見原本炸藥與火藥并非嚴(yán)格分家的,“合久必分”法則促使二者越分越細(xì)。

        2.近代火炸藥(從19世紀(jì)中期到20世紀(jì)80年代)

        單體炸藥的合成、混合炸藥和火藥的配方是這一時期的鮮明特征。例如硝基化合物TNT和苦味酸(PA)、硝胺化合物黑索今(RDX)和奧克托今(HMX)等相繼問世,它們分別在第一和第二次世界大戰(zhàn)中發(fā)揮威力?;旌险ㄋ幱绕涫歉呔畚镎辰Y(jié)炸藥(PBX)的發(fā)展,利于加工成型和安全使用,使炸藥品種大增。用于槍炮的火藥從單基、雙基發(fā)展為三基和硝胺發(fā)射藥;用于火箭的火藥則從改性雙基推進(jìn)劑直至硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推進(jìn)劑等,均基于化學(xué)學(xué)科的發(fā)展和推動,展現(xiàn)著“分久必合,合久必分”的大勢?;瘜W(xué)是火炸藥學(xué)最重要的基礎(chǔ),分解與合成是最基本的化學(xué)反應(yīng),最生動地展現(xiàn)著自然界的分中有合,合中有分現(xiàn)象。一個宏觀反應(yīng)包含許多基元反應(yīng),更可細(xì)分為許多態(tài)-態(tài)反應(yīng)。高分子化學(xué)的發(fā)展,極大地推進(jìn)PBX、發(fā)射藥和推進(jìn)劑的發(fā)展;分子間和表面作用的研究,則促成從分子向晶體和復(fù)合材料的拓展。

        3.當(dāng)代火炸藥(從20世紀(jì)80年代至今)

        這一期間,世界各國競相追求高能量密度材料(HEDM),核心是高能量密度化合物(HEDC)。合成HEDC,通過添加高聚物粘結(jié)劑和其它增塑劑、鈍感劑等助劑,形成HEDM配方。合成和配方雖依然是基本內(nèi)涵,但當(dāng)代HEDC/HEDM的合成與配方已具有鮮明的特征,這就是理論、模擬與實(shí)驗的互補(bǔ)并緊密結(jié)合。

        這一時期,量子力學(xué)(QM)或量子化學(xué)(QC)經(jīng)50年發(fā)展,已進(jìn)入全面應(yīng)用階段。量子炸藥化學(xué)同時應(yīng)運(yùn)而生(肖鶴鳴. 硝基化合物的分子軌道理論. 北京:國防工業(yè)出版社,1993.),理論與計算化學(xué)已成為闡明和指導(dǎo)HEDC/HEDM結(jié)構(gòu)-性能研究和設(shè)計的重要手段。

        在實(shí)驗方面,美國人合成六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)、N5+和八硝基立方烷(ONC);俄國人合成3,3′-二硝基偶氮氧化呋咱類化合物,都是當(dāng)代HEDC的典型。其實(shí),早在20世紀(jì)80年代,我國就合成一些環(huán)脲硝胺(如662、7201等)化合物,密度大,爆速高,應(yīng)是真正的HEDC。當(dāng)前,含CL-20的HEDM配方已實(shí)際使用,火藥與炸藥相互交融,其嚴(yán)格界限已經(jīng)打破。計算機(jī)的高速發(fā)展和應(yīng)用,極大地推進(jìn)了理論與計算化學(xué)的分分合合和發(fā)展應(yīng)用,我國對HEDC/HEDM的理論和模擬研究處于國際前沿和領(lǐng)先地位(肖鶴鳴. 高能化合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì). 北京:國防工業(yè)出版社,2004;肖鶴鳴,許曉娟,邱玲. 高能量密度材料的理論設(shè)計. 北京:科學(xué)出版社,2008;朱衛(wèi)華,王桂香,貢雪東,肖鶴鳴. 高能化合物的分子設(shè)計. 北京:科學(xué)出版社,2014;朱衛(wèi)華,肖鶴鳴. 高能晶體量子化學(xué). 北京:科學(xué)出版社,2012;肖繼軍,朱衛(wèi)華,朱偉,肖鶴鳴. 高能材料分子動力學(xué). 北京:科學(xué)出版社,2013.)。

        二、 理論與計算化學(xué)中的分與合

        下圖展示了一些學(xué)科或重要理論方法的分與合;其中量子力學(xué)興起和“經(jīng)典”與“量子”的細(xì)分,歷經(jīng)百余年,成就了許多物理或化學(xué)家獲得諾貝爾獎;直到20世紀(jì)90年代,分久必合,核和電子自由度在虛擬空間的統(tǒng)一考慮,使得DFT與經(jīng)典MD合為從頭算MD;緊接著各半經(jīng)驗量子MD方法相應(yīng)建立,體現(xiàn)合中有分,分中有合。

        三、 量子炸藥化學(xué)研究——分合有序示例

        過去的三、四十年,量子炸藥化學(xué)研究,遵循分合大勢,書寫分合歷史。以南京理工大學(xué)為例,研究對象從硝基(含硝胺、硝酸酯)類到疊氮類(肖鶴鳴,李永富. 金屬疊氮化物的能帶和電子結(jié)構(gòu). 北京:科學(xué)出版社,1997.)和唑類(肖鶴鳴,陳兆旭. 四唑化學(xué)的現(xiàn)代理論. 北京:科學(xué)出版社,2000.)等多類HEDC,從它們的分子、晶體到復(fù)合材料,以及高能體系中的分子間相互作用(肖鶴鳴,居學(xué)海. 高能體系中的分子間相互作用. 北京:科學(xué)出版社,2004.),運(yùn)用的手段主要是理論和模擬方法,揭示結(jié)構(gòu)與物理、化學(xué)和爆炸性能之間的規(guī)律聯(lián)系。

        以近十年的工作為基礎(chǔ),我們首次提出HEDC能量與穩(wěn)定性相結(jié)合的定量標(biāo)準(zhǔn)以及簡便計算方法,系統(tǒng)研究籠狀和氮雜環(huán)硝胺化合物的分子、晶體和復(fù)合材料(PBX)的結(jié)構(gòu)、性能(爆炸、安全、相容性和力學(xué)性能),并進(jìn)行理論設(shè)計(肖鶴鳴,許曉娟,邱玲. 高能量密度材料的理論設(shè)計. 北京:科學(xué)出版社,2008.);這是以先前三十年QM和MD計算/模擬方法和多類高能化合物、混合物研究為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)分久必合的結(jié)晶。而最新出版的三部學(xué)術(shù)專著,則是在2008年著作的基礎(chǔ)上,對多類多系列高能分子、高能晶體和高能復(fù)合材料,分別地進(jìn)行了多年的詳細(xì)具體、深入細(xì)致的結(jié)構(gòu)-性能研究和設(shè)計,發(fā)表數(shù)百篇學(xué)術(shù)論文,培養(yǎng)數(shù)十位碩博研究生,造就多位學(xué)術(shù)帶頭人,實(shí)現(xiàn)了該三層次結(jié)構(gòu)-性能科教工作的合久必分。2008年《高能量密度材料的理論設(shè)計》整體上是“合”,但合中有分: 分子、晶體和材料及其結(jié)構(gòu)、性能和設(shè)計,還是分別研究和闡述的。2012年《高能晶體量子化學(xué)》、2013年《高能材料分子動力學(xué)》和2014年《高能化合物的分子設(shè)計》三部書整體上是分,但局部也有合,如每部書都對安全性(感度)問題進(jìn)行綜述,通過總結(jié)和升華,體現(xiàn)分中有合,例見撞擊感度的量子化學(xué)判據(jù)綜述文章(Chen Z. X., Xiao H. M. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2014, 39: 487-495.)??傊?,在科教活動中,我們順應(yīng)分久必合,合久必分之大勢,正確認(rèn)識和處理分中有合,合中有分的規(guī)律和細(xì)節(jié);科學(xué)有序地進(jìn)行分解剖析,綜合歸納,即從哲學(xué)高度正確地加以指導(dǎo),所以有利于快出人才,多出成果。

        把分合大勢和分合法則推廣于整個自然界和人類社會,若能審時度勢,分合有序,管控有度,則可實(shí)現(xiàn)天人合一,共同發(fā)展,和諧發(fā)展;反之,如果違背歷史發(fā)展規(guī)律,失度無序放任地進(jìn)行分與合,疏于管控,小則出實(shí)驗和爆炸事故,中則破壞環(huán)境,斷送友好持續(xù)發(fā)展,大則引發(fā)大戰(zhàn),導(dǎo)致天人共憤。

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