□ 孔 超 韓一丁

金屬氫在武器裝備中的應(yīng)用前景

□ 孔 超 韓一丁

2017年1月26日，哈佛大學(xué)自然科學(xué)系教授伊薩克?席爾瓦拉及其博士后研究員蘭加?迪亞茲在《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文，宣稱他們用超高壓制造出了世界上首個(gè)金屬氫樣本。這一試驗(yàn)結(jié)果如果被證實(shí)，意味著幾十年來(lái)對(duì)氫轉(zhuǎn)化為金屬的探索將取得重大突破。金屬氫是一種能量密度高、高儲(chǔ)能的材料，理論上還具備常溫超導(dǎo)性等特點(diǎn)，如能有效應(yīng)用，將對(duì)未來(lái)武器裝備的發(fā)展帶來(lái)巨大影響。

金屬氫的研發(fā)過(guò)程及其特性

從理論物理學(xué)家于1935年首次預(yù)測(cè)金屬氫的存在以來(lái)，在實(shí)驗(yàn)室制備出金屬氫就一直是各國(guó)科研人員的夢(mèng)想。根據(jù)理論預(yù)測(cè)，在高壓砧內(nèi)用足夠的壓力擠壓，氫就能獲得導(dǎo)電性——金屬態(tài)的標(biāo)志。物理學(xué)家表示，金屬氫可能還有其他奇異性質(zhì)，如在室溫下?lián)碛谐瑢?dǎo)性。

近年來(lái)，物理學(xué)家已經(jīng)在高于地心壓力的壓力下，用金剛石壓砧擠壓了微量氫樣本。這種實(shí)驗(yàn)非常精細(xì)，很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。研究者已經(jīng)在擠壓過(guò)程中觀察到了材料顏色從透明轉(zhuǎn)變?yōu)樯钌淖兓?，這意味著電子被擠壓在一起后擁有了吸收可見(jiàn)光光子的能力。但能反射光線、閃閃發(fā)亮的金屬氫的存在還沒(méi)有得到證明。

2016年，愛(ài)丁堡大學(xué)的物理學(xué)家，使用一對(duì)鉆石，并施以高壓來(lái)擠壓氫分子，同時(shí)分析其行為。他們發(fā)現(xiàn)在壓力相當(dāng)于地球大氣壓的325萬(wàn)倍時(shí)，氫進(jìn)入到固體狀態(tài)，被命名為“狀態(tài)五”，這時(shí)氫開(kāi)始表現(xiàn)出一些有趣而不尋常的特性。它的分子開(kāi)始分成單個(gè)原子，原子中的電子表現(xiàn)出金屬特性。物理學(xué)家聲稱，他們發(fā)現(xiàn)的狀態(tài)還只是分子分離的開(kāi)始，如果想要?jiǎng)?chuàng)造出理論預(yù)測(cè)的純?cè)雍徒饘贍顟B(tài)的氫，還需要更高的壓力。

這次哈佛大學(xué)發(fā)現(xiàn)的金屬氫，是由自然科學(xué)系教授伊薩克?席爾瓦拉及其博士后研究員蘭加?迪亞茲共同完成的。他們將一塊微小的固態(tài)氫樣品置于495千兆帕的高壓下，這一數(shù)值甚至超過(guò)了地球中心的壓力值。在這一極端的外部壓力下，分子氫的化學(xué)鍵將被打開(kāi)，最終形成由氫原子為最小單位組成的晶體氫，即具有金屬性質(zhì)的金屬氫。

金屬氫具有較高的能量密度，一方面是因?yàn)榻饘贇涞闹苽湎牧舜罅磕芰?，如果將它轉(zhuǎn)化回氫分子，其釋放所蘊(yùn)藏能量的量級(jí)極為巨大。另一方面，氫本身也是質(zhì)量能量密度最高的燃料，這是由于氫的單位摩爾質(zhì)量是所有元素中最小的，因此單位質(zhì)量氫的摩爾質(zhì)量是最大的，而燃燒產(chǎn)生的能量和摩爾質(zhì)量呈正比。金屬氫作為高儲(chǔ)能物質(zhì)，燃燒效率高，單位質(zhì)量金屬氫在燃燒時(shí)能釋放出巨大的能量，可作為火箭、導(dǎo)彈的推進(jìn)劑，也可用于制造超高能炸藥。

金屬氫能夠保持亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)壓力撤除后，亞穩(wěn)態(tài)金屬氫并不會(huì)馬上恢復(fù)成普通氫氣，如能制造出穩(wěn)定的金屬氫材料，將進(jìn)一步加速其在武器裝備中的應(yīng)用進(jìn)程。金屬氫還具有常溫超導(dǎo)性，因?yàn)榻饘贇湓娱g隔與電子波長(zhǎng)長(zhǎng)度相當(dāng)，在理論上具有常溫超導(dǎo)性質(zhì)。科學(xué)家預(yù)測(cè)，金屬氫可能在開(kāi)氏溫度160K甚至290K的高溫下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。

金屬氫在武器裝備中的應(yīng)用

可用于制造高效的推進(jìn)劑。金屬氫的高能量密度對(duì)航天及導(dǎo)彈工業(yè)意義重大。例如，為追求更高的比沖，國(guó)內(nèi)外重型火箭基本上采用的是液氫液氧的組合推進(jìn)劑，因此必須把火箭做成一個(gè)很大的熱水瓶似的容器，以便確保低溫，造成了火箭體積較大。而金屬氫的密度是液氫的7倍以上，如果使用金屬氫，火箭或許就可以制造得靈巧、小型，使導(dǎo)彈可以裝載更多的武器載荷。另外，理論上以金屬氫作為燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)比沖可以高達(dá)1700秒——超目前的先進(jìn)水平450秒?？梢?jiàn)，金屬氫稱得上是世界上已知的最強(qiáng)力的推進(jìn)劑。

可用于制造高能炸藥。如果金屬氫中存儲(chǔ)的化學(xué)能量能在短時(shí)間內(nèi)全部釋放出來(lái)，就會(huì)產(chǎn)生爆炸性的效果，這時(shí)金屬氫就成為一種超高能炸藥，可以作為大規(guī)模殺傷性武器使用。據(jù)理論預(yù)測(cè)，金屬氫作為超高含能物質(zhì)的能量密度高達(dá)218kJ/g，是TNT炸藥的50倍，是綜合性能最好的奧克托金HMX炸藥的40倍。換句話說(shuō)，金屬氫的爆炸威力是現(xiàn)在高能炸藥的4～50倍之多。

利用金屬氫的高爆威力，還能研制出不需要原子彈引爆的下一代氫彈。雖然氫聚變的產(chǎn)物沒(méi)有污染，但核聚變的條件太過(guò)苛刻，目前人類還只能使用原子彈爆炸壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn)。正因?yàn)槿绱耍瑹o(wú)論原子彈還是氫彈都會(huì)帶來(lái)巨大的核污染，即使是號(hào)稱相對(duì)干凈的中子彈也是如此。如果可以大量制備出超高能的金屬氫，使用金屬氫爆炸的威力引發(fā)核聚變，那么這種氫彈在爆炸后將十分“干凈”。

具備潛在的聚變應(yīng)用價(jià)值。金屬氫是一種亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)，可以用它來(lái)做成約束等離子體的“磁籠”，把熾熱的電離氣體“盛裝”起來(lái)，有利于實(shí)現(xiàn)受控核聚變，使核能轉(zhuǎn)變成電能，而這種電能將是廉價(jià)的又是干凈的，在地球上就會(huì)方便地建造起一座座“模仿太陽(yáng)的工廠”，進(jìn)一步解決能源問(wèn)題。

金屬氫還是一種高效聚變?nèi)剂?。例如，在激光慣性約束核聚變中，核燃料是氫的同位素氘－氚的混合物。若用固態(tài)金屬氘－氚作燃料小球，由于其密度比其他形式氘－氚混合物的密度高，在一定容積的靶室內(nèi)可裝更多燃料，因而可提高核聚變的效率，產(chǎn)生更多的聚變能。固態(tài)金屬氘－氚核聚變?nèi)剂系氖褂脤⑹刮磥?lái)核聚變反應(yīng)堆的實(shí)用化和小型化成為可能，為受控核聚變能早日進(jìn)入社會(huì)生活領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。

常溫超導(dǎo)性隱藏巨大軍事應(yīng)用潛力。金屬氫在理論上具備常溫超導(dǎo)性。超導(dǎo)材料具有極其優(yōu)越的物理特性，超導(dǎo)體的應(yīng)用將導(dǎo)致一場(chǎng)新技術(shù)革命。金屬氫超導(dǎo)材料在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用將是非常廣泛的，如超導(dǎo)電磁推進(jìn)系統(tǒng)、超導(dǎo)電磁炮、超導(dǎo)粒子束武器、大功率發(fā)動(dòng)機(jī)、超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)等。例如，由金屬氫制成的超導(dǎo)聚能武器能把能量匯聚成極細(xì)的能束，沿著精確的方向，以接近或等于光速的速度發(fā)射出去，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行殺傷；用金屬氫制成的閉合線圈是一種理想的儲(chǔ)能裝置，因?yàn)橹灰€圈保持超導(dǎo)狀態(tài)，它所儲(chǔ)存的電磁能就會(huì)毫無(wú)損耗地長(zhǎng)期保存下去，并可隨時(shí)把強(qiáng)大的能量提供給聚能武器，超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置使聚能武器如虎添翼。金屬氫常溫超導(dǎo)性如能實(shí)際驗(yàn)證并應(yīng)用，必將帶來(lái)巨大的軍事技術(shù)革命。

金屬氫從制造到應(yīng)用的路途遙遠(yuǎn)

首先，部分科學(xué)家質(zhì)疑金屬氫的存在。此次哈佛科學(xué)家制造出金屬氫樣本，從一開(kāi)始就遭受很多質(zhì)疑，有科學(xué)家認(rèn)為兩位研究者觀察到的閃亮金屬到底是不是氫還不清楚。因?yàn)榇舜谓饘贇渲苽鋵?shí)驗(yàn)用到的金剛石砧都經(jīng)過(guò)特殊處理，為了防止鉆石破裂會(huì)鍍一層三氧化二鋁，實(shí)驗(yàn)中的金屬態(tài)物質(zhì)可能是三氧化二鋁，因?yàn)槿趸X在高壓下也可能出現(xiàn)不同的表現(xiàn)。兩位科學(xué)家并沒(méi)有證明三氧化二鋁在這樣的壓力范圍下不會(huì)變?yōu)榧兘饘賾B(tài)。正在大家對(duì)金屬氫樣本持續(xù)懷疑時(shí)，有報(bào)道稱，由于操作失誤，兩位科學(xué)家制造的金屬氫樣本消失了，可能消失在位于兩個(gè)金剛石之間、被用來(lái)裝金屬氫的金屬“襯墊”內(nèi)；也可能因?yàn)椴环€(wěn)定，在常溫常壓下變成了氣體。

其次，金屬氫的特性未得到驗(yàn)證。金屬氫在理論上是一種亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)，能在常溫下保持穩(wěn)定狀態(tài)，還具備常溫超導(dǎo)性，但均未得到有效驗(yàn)證。哈佛科學(xué)家是通過(guò)超高壓壓縮得到金屬氫的樣本的，且僅僅是通過(guò)拍攝的照片的光澤度來(lái)判斷樣本的金屬性。由于擔(dān)心驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)可能會(huì)破壞寶貴的樣本，兩位科學(xué)家并未對(duì)金屬氫的常溫超導(dǎo)性、穩(wěn)定性等特性進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試。兩位科學(xué)家還把金屬氫材料保存在了低溫恒溫器里，未能證實(shí)在常溫常壓下金屬氫能否存在。

最后，金屬氫制造工藝?yán)щy。

哈佛科學(xué)家是通過(guò)金剛石對(duì)頂砧技術(shù)，將氫原子加壓到大氣壓的約500萬(wàn)倍，才得到金屬氫的樣本。該加工技術(shù)所用的設(shè)備昂貴，甚至一般實(shí)驗(yàn)室都無(wú)力承擔(dān)設(shè)備的價(jià)格，而且金屬氫還只能一次做出微克級(jí)，所以離實(shí)用還有很大的距離。

總之，因?yàn)榫哂袠O大的應(yīng)用潛力，金屬氫歷來(lái)備受科學(xué)界關(guān)注，這種全新材料的發(fā)現(xiàn)，絕對(duì)稱得上是科技界革命性的成果。當(dāng)然，金屬氫的存在還需要做很多工作來(lái)完成驗(yàn)證，從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)界，并在武器裝備中的應(yīng)用，將會(huì)有很長(zhǎng)的路程要走。相信經(jīng)過(guò)科學(xué)家的不斷努力，我們終將能看到金屬氫在軍事中廣泛的應(yīng)用，并將武器裝備提升到一個(gè)新的層面。（中國(guó)航天科技集團(tuán)）