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        氫與氮,未來的夢(mèng)想能源

        2018-01-24 21:42:52鄭惇
        科學(xué)之謎 2017年12期
        關(guān)鍵詞:金剛石氮?dú)?/a>飛船

        鄭惇

        電影《星際穿越》中,地球不再適宜人類生存,為使人類文明得以延續(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生殖細(xì)胞培育出新人類,繼續(xù)人類文明。撇開電影的結(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)能的一類物質(zhì),主要類別包括發(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,我們卻沒有發(fā)現(xiàn)自然形成的聚合氮。氣態(tài)的氮在6萬個(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?00萬個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的情況下,并且無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,被稱為“無與倫比的成就”。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,作為未來星際航行的燃料是非常值得期待的。

        無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

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