boom！boom！boom！——一些關於含能材料的閑言碎語（可能會很無聊哦）
說起含能材料這個詞，不少人會感到陌生的說，換個詞吧——炸藥。大家也許就明白了，不過捏，炸藥/爆炸物（explosive）的表述並不準確，之所以被稱為含能材料（engergetic，materials）是因為以下定義：
含能材料是一類含有爆炸性基團或含有氧化劑和可燃物，在一定外界能量刺激下，能夠獨立進行氧化還原反應，並釋放大量能量（通常為氣體和熱）的化合物或混合物。一般含能材料包含了火口葯，炸口葯，燃氣發生劑煙火藥劑，火工品等——《novel engergetic materials》
所以所謂的含能材料，包含但並不特指炸口葯，說到這裡是不是很無聊的說，各位看官。那麼我們接下來聊聊更無聊的話題吧：
首先有幾個概念我們必須談到，這關係到含能材料（炸口葯）的性能：
1. 固有物性：例如密度，力學性能（比如可塑性，想想CS裡面的C4吧，fire in hole....），安定性（一定條件下，材料的物理化學性能不超過允許範圍變化的能力），相容性（和其他物質發生反應的能力）
2.含能材料表徵的性質：
1.標準生成焓——單質狀態下的穩定單質（原料）合成含能材料本身所產生的焓變。（也可以理解為含能物質分解/爆炸時釋放的能量）。這是含能材料最基本的熱力學參數，直接影響燃燒熱和爆溫。
2.感度——含能材料在外界能量作用下發生爆炸的難易程度。（爆炸類型和使用條件的選擇，感度有客分為撞擊感度，溫度感度，衝擊波感度，電火花感度等.....感度沒有一個通用的標準，依據具體情況而定，並不是越高越好或者越低越好）
3.爆容——含能材料爆炸時產生氣體的體積。
4.爆速——爆炸時的爆轟波在含能材料內傳播的速度。這是極其重要的含能材料參數。
5.爆壓——含能材料爆轟時爆轟陣面的壓力。這與含能材料（炸藥）的威力息息相關。
講完這些枯燥的定義我們開始吧：
說到含能材料就不得不提始祖黑火藥，黑火藥最早的確是由中國東晉人，葛洪在《抱朴子》中記載的。不過那時候，它還並不是炸口葯，葛洪認為，用硝石、武當山雄黃、松脂和豬大腸脂肪混合可以製成一種丹藥，「服之皆令長生，百病除」。
不過呢，事情總會有轉機。隨著古代煉丹家，醫學家對火藥性質的深入研究，發現它並不能令人延年益壽，反而越來越多的開始介紹它的燃燒性能。
唐初醫學家孫思邈（581—682）在《丹經內伏硫磺法》中記載硝石、硫磺和炭化皂角子混合後用火點燃後能猛烈燃燒。
成書於9世紀中葉至五代的《真元妙道要略》（一說鄭思遠所著）記載：「有以硫磺、雄黃合硝石並蜜燒之，焰起，燒手面及燼屋舍者」
公元904年，楊行密軍圍攻豫章（今江西南昌），部將鄭璠命所部「發機飛火，燒龍沙門，率壯士突火先登入城，焦灼被體」，這是火藥最早使用于軍事記載，最早的火藥武器則出現在五代時期的敦煌壁畫。
隨後黑火藥作為中國四大發明之一傳入西方，統治了軍用武器近1000年。西班牙人正是拿著使用黑火藥的火繩槍征服了美洲；英國人又用威力更大的火炮擊垮了西班牙；在日本，織田信長的部隊用火繩槍將武田騎兵掃入了垃圾桶......黑火藥作為含能材料的祖師，深刻的改變了近代的戰場。
就是幾百名持有火槍的征服者就滅亡了使用冷兵器有數十萬人口的印加帝國
進入工業革命之後，隨著化學的大發展，含能材料也迅速的豐富起來。新發展的軍事技術又反過來對含能材料提出了更高的要求。
這裡簡單的提幾個有名的吧，首先是大家耳熟能詳的炸藥，硝化甘油。這玩意呢，實際上並不是諾貝爾發明的，真正的發明人是義大利都靈大學的化學家索布雷洛。他在1847年首先報道了硝化甘油的合成，不過常有人誤解「硝化甘油」是瑞典化學家阿爾弗雷德·諾貝爾發明的。事實上諾貝爾發明的是在1866年利用硝酸甘油發展高穩定性、防誤爆的硝酸甘油硅藻土炸藥。
具體的故事實際上是這樣的，當時索布雷諾發現硝酸甘油（Nitroglycerin）之後，最初叫他「焦油」（pyroglycerine），但隨後他發現這玩意及其容易發生爆炸，於是警告說這玩意可能做是一種爆口炸口物。這消息一傳出尚處在動蕩中的歐洲立刻炸開了鍋，要知道整個十九世紀歐洲幾乎天天都在打仗，從法國大革命到德國統一，到奧地利，巴爾幹半島.....戰爭就沒有消停過。這時候如果有一種能夠人工合成的炸藥，誰掌握誰就有巨大的優勢。話又說回來，硝化甘油極其容易發生爆炸，它的爆速大約30倍聲速，爆容釋放其原始體積的1,200倍以上的氣體。釋放的熱量將溫度升高到約5000℃。這一樣一種感度極高，又威力大的炸藥用于軍事幾乎是不可能的，事實上索布雷洛就很反對軍事上應用硝化甘油。不過諾貝爾並不甘心，他的家族就是一個軍工家族，擁有大批軍工企業，從1860年開始，諾貝爾就開始著手於大量生產硝化甘油和使它穩定下來。1864年，在試製過程中生產硝化甘油的工廠甚至爆炸，諾貝爾的弟弟耶米爾被炸死。不過功夫不負有心人，諾貝爾在1866年發明了用硅藻土吸附硝化甘油的方法將這種油狀物，變成了一種較為溫和的爆炸物。
黑暗煉金獻祭自己弟弟的諾貝爾醬，所以諾貝爾獎俗稱炸口葯獎（23333....）。
還有一點特別有意思的硝化甘油——真！能！治！病！
另一個很有名的就是黃色炸藥——苦味酸。
說到苦味酸就不得不提一個讓人讓人惱火的國家——日本兒。苦味酸（2,4,6-Trinitrophenol）
從化學結構上來看這玩意很像TNT，只不過苯環1`位置（就是最上面那個OH所在的位置）苦味酸是羥基（OH，其實正確的說法是苯酚的酚基），而TNT是甲基（CH3，mythyl）。差這一個性質就差很大了，我們稍後談到。它是黃色的固體，在被用作炸藥之前，曾經被用作黃色染料（腦子秀逗了？！居然用來做染料！？），因為易爆而被用作炸口葯。日本在1885年左右，由下瀬雅允首次接觸並著手從法國開始仿製苦味酸。
就是這位，他同樣在試製苦味酸的時候把自己的左手炸了，終身左手手指不能再動。
經過了多年的辛苦試製，終於在1893年，在他的帶領下日本終於摸透了苦味酸工業生產的方法開始大量生產這種大威力的炸藥。在甲午戰爭中，清朝因為缺少能夠轟擊日艦的開花彈（爆破彈），在對日作戰中處於下風，而日本艦隊裝備有大量速射炮和裝備有使用下瀨火藥（苦味酸）的開花彈，將北洋海軍打的一敗塗地。苦味酸在實戰中擁有很強的燃燒性，而且爆速高（7000m/s），為日本在甲午海戰，和隨後的日俄戰爭的勝利立下了汗馬功勞。（蝗國科技世界第一，yeah！）直到二戰日本都在還在使用苦味酸。
TNT只有6700米/每秒
不過呢由於苦味酸固有的缺陷，（回到苦味酸的結構吧）其結構含有三個硝基，學過化學的朋友都知道硝基是強吸電子基團，就會使得羥基（OH）呈現出較大酸性，這個酸性可以腐蝕鐵等金屬，生成苦味酸鐵鹽等化合物。而苦味酸鹽，那就呵呵了，這玩意感度極高，很容易就——轟！！！（這裡其實TNT性能更好，更安全的說。是，什麼？你問我日本兒為毛不用TNT？日本兒缺石油啊，TNT的原料甲苯當時是從石油里提取的哦）
所以侵華日軍遺留的炮彈及其危險的說，因為埋在地下的時間太長，苦味酸生成了苦味酸鹽，稍有不慎就有可能炸死人。所以啊我們找日本兒賠償這些破炮彈帶來的損失天經地義的說
圖為黑龍江發現的日本兒炮彈，日本兒良心大大的壞了！！
TNT知乎裡面一堆人聊過了，有希不想聊，接著聊點稍微有意思的吧。
在介紹一些新型含能材料之前還是要嘮叨幾句，並不是含能材料都是炸口葯，是不是炸口葯要看很多方面的說，包括是不是容易合成，容易大量製取，安定性，感度，爆速，爆熱，爆容等.....只有都滿足條件才能作為炸藥使用。
啰嗦完了還是說幾個結構新穎的吧，前面的圖我們發現含能材料大多含有胺基，硝基，疊氮基團，因此提高這些基團在分子中的比例就成為了重中之重。
舉一個栗子吧：
後來者（hiskey）想了一個辦法，他將兩個TAT串起來，搞成了這樣：
再來一個FOX-7炸藥,FOX（FOX英語意譯為狐狸）和狐狸沒有半毛錢關係，它是瑞典國防研究所（FOI）在1998年報道的新型含能材料，這種含能材料和常用的RDX（黑索金炸口葯）相比感度更低，威力相當。發現者瑞典國防研究所已經做了大量的工作，具體情況如下。
這就是FOX-7，別看他構造簡單，這玩意的構造可是「冰X兩重天」——左邊是硝基(NO2)吸引雙鍵的電子，而右邊的（NH2）胺基提供電子。因此有機合成領域FOX-7製造極其困難。
那用雙氧水做含能材料可以嗎？答案是當然可以的說。
go ahead!
三過氧化三丙酮（Triacetone triperoxide簡稱為TATP）粉墨登場！
就是這白色的粉末，化學上這玩意就是把丙口酮和雙口氧口水一起煮製成的，具體方法有希不說（怕被查/水/表的說)
TATP一共有四種聚合物形態
當TATP遭受強烈衝擊時，則發生被稱為熵爆炸（entropic explosion）的劇烈分解，此時反應產物主要為丙酮和氧氣，這種爆炸釋放的熱能不多，爆速約為6100m/s。但是，TATP的化學安定性卻很差，共聚物會在室溫下緩慢分解，恢復成氧氣和丙酮。如果是軍用的話，不能長期保存的東西就是~樂~色。因此TATP還沒有軍用化。當然丙酮和雙氧水都是容易入手的玩意。一些人難免動歪腦經。
不過捏，有希還是那句話多行不義必自斃
接著無聊下去吧：還有一個就是耳熟能詳的八硝基立方烷。首先要科普一個原理，在化學物質中，連接原子和原子的實際上是它們的核外電子云（這個說起來就要扯到薛定諤方程了~喵），這個電子云我們就把它叫做鍵（英文 bond），當兩個以上的以上的原子在與其他原子成鍵時，鍵與鍵之間的夾角稱為鍵角（bond angle）
當然由於分子的不同或者化學環境的不同鍵角會發生改變，一般我們都認為，飽和碳原子的幾何構型是正四面體，鍵角109°28′。說到這裡不少人應該知道該怎麼玩了，沒錯要讓分子施加能量改變鍵角就可以了。比如，鍵飽和碳原子的鍵角如果變小，那麼就跟彎曲彈簧一樣，鍵就會產生張力，而這個張力就是含能材料的不二之選。
於是一個腦洞大開的方案就孕育而生——弄一個張力特別大的玩意，不就行了嘛！
沒錯立方烷（Cubane）
立方烷君整個分子呈立方體，鍵角都是90度，這就使得立方烷分子本身擁有很大的能量。如果再給它搞上硝基的話不就吼了嗎？
首先發一下製造立方烷的製作process吧，非化學專業的數幾個箭頭就行，大概都能明白製造的麻煩程度。
既然這不行那不行，在這篇水文的最後有希蹭一下熱度吧，就是最近炒的很火的上了science的全氮含能材料。關於這玩意不少媒體扯得逆天，這裡舉一個例子：
這媒體瞎想能力（腦補能力）太逆天了吧，還N2炸彈。要知道EVA裡面這玩意威力等於氫彈也就是要求有上千倍甚至上萬倍TNT當量。化學反應再怎麼到不了核反應的水平，目前估算最強的金屬氫（被壓縮為金屬態的氫）在燃燒時發生的能量也不過10幾-40幾倍TNT，而一枚幾百公斤的氫彈warhead，一發就是幾十萬噸當量TNT的說。
這記者真是.....
其實這篇論文的作者研究的是一種叫全氮含能材料的玩意。剛才我們提到儘可能提高含氮量，那麼搞一個全氮的化合物不就行了？
沒錯真就有人這麼乾的說，首先從N3開始吧。
啊，你問有希為什麼沒有N2？傻傻的，N2就是氮氣啦，氮氣能炸嗎？
言歸正傳，介紹一下N3系列化合物 。最簡單的就是疊氮酸了（hydrogen azide），，這玩意是及其易爆/劇毒，並且不安定的液體，要用來製作含能材料是不可能的。
不過這個N3自由基只能在短時間內痕量存在於是N3自由基的故事就到此位置，論文作者無法對它的物性化學性質進行測定。
借著接著就是N4，N4和N3一樣目前以理論研究為主，因為目前實驗室合成的N4全氮化合物大多會在數小時內分解，且只能痕量合成，只有理論研究價值。不過仍有部分結構新穎的N4材料被發現。
2002年美國空軍研究實驗室的christe研究小組首次報告了五唑陰離子可能存在的證據，他們合成了一個對羥基苯基五唑。
可見之前的研究，並沒有對N5全氮進行實質性的合成，大多都是理論分析。正因為如此，踩在前人的屍骨上2017年，這篇跨時代才顯示出來它的意義。
這就是作者天才一般的key reaction
熱分析實驗結果顯示，其分解溫度高達116.8℃，具有非常好的熱穩定性。
該論文一經發表就在學術界引起了重視，南加州大學的Karl O. Christe教授在同期Science 撰寫了題為「Polynitrogen chemistry enters the ring」的評論性文章，高度評價這一工作，稱其 「opens the door to interesting chemistry」。（為有趣的化學打開了新的大門）。
不過也不是作者謙虛，他們在文章末尾很謙遜的說道：
完
後記：有希醬寫這篇文章大部分化學式都是用BIOOFFICE和marvin手敲的，有希不是含能材料專業的，難免有疏漏，請讀者指出。順便熟悉有希的朋友都知道有希實在對錯別字無感，有錯別字求指出。本文比較涉及含能材料希望你呼不吞，吞了有希就沒辦法了。
順便祝各位小姐姐三八節快樂！！ (≧▽≦)/ 有大XX的小姐姐也一樣哦
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