, , , 罗贯中在《三国演义》开篇中写道“天下大势, 分久必合, 合久必分”, 概括的是朝代更换, 适用于人类社会。我们以为, 这也符合自然科学发展的规律和大势。而且分中有合, 合中有分; 分合有序, 天地永恒; 分合失度, 后果堪忧。本文以火炸药、理论与计算化学的发展史, 以及近几十年“量子炸药化学”的研究经历, 对这些观点略加说明。
一 火炸药分与合的发展史纵观千余年, 火炸药大体可分为三个发展期, 构成一部分与合的发展史。
1 黑火药时期(从9或10世纪到19世纪初)将近一千年, 人类所使用的爆燃物, 从中国流传到全世界都是黑火药。黑火药由硫磺、硝石(硝酸钾)和木炭三者混合而成。三种组分性能各异, 分别使用一段时间后, 聪明的祖先发明黑火药, 显现“分久必合”; 黑火药兼具燃烧发射和爆炸摧毁功能, 既是火药, 又是炸药, 取决于如何配比和使用。足见原本炸药与火药并非严格分家的, “合久必分”法则促使二者越分越细。
2 近代火炸药(从19世纪中期到20世纪80年代)单体炸药的合成、混合炸药和火药的配方是这一时期的鲜明特征。例如硝基化合物TNT和苦味酸(PA)、硝胺化合物黑索今(RDX)和奥克托今(HMX)等相继问世, 它们分别在第一和第二次世界大战中发挥威力。混合炸药尤其是高聚物粘结炸药(PBX)的发展, 利于加工成型和安全使用, 使炸药品种大增。用于枪炮的火药从单基、双基发展为三基和硝胺发射药; 用于火箭的火药则从改性双基推进剂直至硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂等, 均基于化学学科的发展和推动, 展现着“分久必合, 合久必分”的大势。化学是火炸药学最重要的基础, 分解与合成是最基本的化学反应, 最生动地展现着自然界的分中有合, 合中有分现象。一个宏观反应包含许多基元反应, 更可细分为许多态-态反应。高分子化学的发展, 极大地推进PBX、发射药和推进剂的发展; 分子间和表面作用的研究, 则促成从分子向晶体和复合材料的拓展。
3 当代火炸药(从20世纪80年代至今)这一期间, 世界各国竞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, 通过添加高聚物粘结剂和其它增塑剂、钝感剂等助剂, 形成HEDM配方。合成和配方虽依然是基本内涵, 但当代HEDC/HEDM的合成与配方已具有鲜明的特征, 这就是理论、模拟与实验的互补并紧密结合。
这一时期, 量子力学(QM)或量子化学(QC)经50年发展, 已进入全面应用阶段。量子炸药化学同时应运而生(肖鹤鸣.硝基化合物的分子轨道理论.北京:国防工业出版社, 1993.), 理论与计算化学已成为阐明和指导HEDC/HEDM结构-性能研究和设计的重要手段。
在实验方面, 美国人合成六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)、N5+和八硝基立方烷(ONC); 俄国人合成3, 3′-二硝基偶氮氧化呋咱类化合物, 都是当代HEDC的典型。其实, 早在20世纪80年代, 我国就合成一些环脲硝胺(如662、7201等)化合物, 密度大, 爆速高, 应是真正的HEDC。当前, 含CL-20的HEDM配方已实际使用, 火药与炸药相互交融, 其严格界限已经打破。计算机的高速发展和应用, 极大地推进了理论与计算化学的分分合合和发展应用, 我国对HEDC/HEDM的理论和模拟研究处于国际前沿和领先地位(肖鹤鸣.高能化合物的结构与性质.北京:国防工业出版社, 2004;肖鹤鸣, 许晓娟, 邱玲.高能量密度材料的理论设计.北京:科学出版社, 2008;朱卫华, 王桂香, 贡雪东, 肖鹤鸣.高能化合物的分子设计.北京:科学出版社, 2014;朱卫华, 肖鹤鸣.高能晶体量子化学.北京:科学出版社, 2012;肖继军, 朱卫华, 朱伟, 肖鹤鸣.高能材料分子动力学.北京:科学出版社, 2013.)。
二 理论与计算化学中的分与合下图展示了一些学科或重要理论方法的分与合; 其中量子力学兴起和“经典”与“量子”的细分, 历经百余年, 成就了许多物理或化学家获得诺贝尔奖; 直到20世纪90年代, 分久必合, 核和电子自由度在虚拟空间的统一考虑, 使得DFT与经典MD合为从头算MD; 紧接着各半经验量子MD方法相应建立, 体现合中有分, 分中有合。
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过去的三、四十年, 量子炸药化学研究, 遵循分合大势, 书写分合历史。以南京理工大学为例, 研究对象从硝基(含硝胺、硝酸酯)类到叠氮类(肖鹤鸣, 李永富.金属叠氮化物的能带和电子结构.北京:科学出版社, 1997.)和唑类(肖鹤鸣, 陈兆旭.四唑化学的现代理论.北京:科学出版社, 2000.)等多类HEDC, 从它们的分子、晶体到复合材料, 以及高能体系中的分子间相互作用(肖鹤鸣, 居学海.高能体系中的分子间相互作用.北京:科学出版社, 2004.), 运用的手段主要是理论和模拟方法, 揭示结构与物理、化学和爆炸性能之间的规律联系。
以近十年的工作为基础, 我们首次提出HEDC能量与稳定性相结合的定量标准以及简便计算方法, 系统研究笼状和氮杂环硝胺化合物的分子、晶体和复合材料(PBX)的结构、性能(爆炸、安全、相容性和力学性能), 并进行理论设计(肖鹤鸣, 许晓娟, 邱玲.高能量密度材料的理论设计.北京:科学出版社, 2008.); 这是以先前三十年QM和MD计算/模拟方法和多类高能化合物、混合物研究为基础, 实现分久必合的结晶。而最新出版的三部学术专著, 则是在2008年著作的基础上, 对多类多系列高能分子、高能晶体和高能复合材料, 分别地进行了多年的详细具体、深入细致的结构-性能研究和设计, 发表数百篇学术论文, 培养数十位硕博研究生, 造就多位学术带头人, 实现了该三层次结构-性能科教工作的合久必分。2008年《高能量密度材料的理论设计》整体上是“合”, 但合中有分:分子、晶体和材料及其结构、性能和设计, 还是分别研究和阐述的。2012年《高能晶体量子化学》、2013年《高能材料分子动力学》和2014年《高能化合物的分子设计》三部书整体上是分, 但局部也有合, 如每部书都对安全性(感度)问题进行综述, 通过总结和升华, 体现分中有合, 例见撞击感度的量子化学判据综述文章(Chen Z.X., Xiao H.M.Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2014, 39:487-495.)。总之, 在科教活动中, 我们顺应分久必合, 合久必分之大势, 正确认识和处理分中有合, 合中有分的规律和细节; 科学有序地进行分解剖析, 综合归纳, 即从哲学高度正确地加以指导, 所以有利于快出人才, 多出成果。
把分合大势和分合法则推广于整个自然界和人类社会, 若能审时度势, 分合有序, 管控有度, 则可实现天人合一, 共同发展, 和谐发展; 反之, 如果违背历史发展规律, 失度无序放任地进行分与合, 疏于管控, 小则出实验和爆炸事故, 中则破坏环境, 断送友好持续发展, 大则引发大战, 导致天人共愤。