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美国顶级专家投奔中国,攻克世界性难题,让中国掌握这项超级技术
作者:华帅技术部  更新时间:2019-11-15 23:00:01

世界人才涌向中国

很多人都说中国人才外流,但是这些年以来,中国也在吸引着世界上优秀的人才来到中国。2018年,全国共投入研究与试验发展(R&D)经费19677.9亿元,基础研究、应用研究和试验发展经费所占比重分别为5.5%、11.1%和83.3%。

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中国是全世界除了美国之外科研经费投入最多的国家,美国国家科学研究委员会报告显示:

1、中国在全球超级计算机500强中占据了202席,比美国多出60多个席位。在中国贵州,那里有世界最大的射电望远镜,500米口径球面、耗资1.8亿美元的“中国天眼。”

2、中国也要登陆月球,建设月球基地

3、中国实现“多光子纠缠”,再次刷新了光子纠缠态制备的世界纪录,是对量子通信和量子计算应用的极大突破

4、继克隆羊多利之后,世界首个体细胞克隆猴在中国诞生,将有助于对人类药物的研究。

5、中国还提出要成为全球人工智能的领军者,计划在2030年建立1500亿美元的人工智能产业。目前,中国的人脸识别技术已取得领先地位。

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很多人喜欢批评中国的教育,中国的创新能力,这些我们都是和全球第一的美国来进行对比的,虽然美国仍然是全球的科技龙头,可中国在许多领域上也在超越美国。

也正是因为中国在科研方面的大投入,越来越多的研究人员开始走向中国,在这里建立实验室,进行研究。中国给出的待遇是很多科研人员无法拒绝的,这里有丰厚的签约金、有保障的科研经费、充足的技术人员、大量的科研机会,以及强有力的政策支持。

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从美国来到中国的著名遗传学家帕雷贾

中国还开展来“外专千人计划”,这是“千人计划”中的高层次外国专家项目,面向非华裔外国专家,目前重点引进长期项目专家,即至少连续来华工作3年,每年不少于9个月。截至2012年12月10日,共有94名外国专家入选,成为中国国家特聘专家。

其中就包括美国籍世界顶级科学家亚历山大·冈察洛夫。他帮助中国掌握了这项超级技术,让中国火药领先世界。

纯氮类物质:下一代火药的核心材料

亚历山大·冈察洛夫2012年就来到了中国,在安徽合肥研究院固体物理研究所工作,他非常喜欢合肥科学岛的工作环境,他主要从事从事高压、高温等极端条件下材料和矿物研究。来到中国之后,他领衔自主设计建成了具有国际领先水平的集高压、高温、低温等为一体的固体所极端条件综合实验平台,带领团队依托该平台开展研究,取得了一系列重要研究成果。

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亚历山大在作报告

2016年6月,亚历山大·冈察洛夫研究团队利用金刚石对顶砧并结合脉冲激光加热技术,直观呈现了地球内部极端高温高压条件下铁的热力学行为,从而解释了地球磁场稳定存在的原因。该成果具有解释地球磁场由来和解读地球温度演化的双重意义。

而在2018年,亚历山大·冈察洛夫采用超快探测方法与极端高温高压实验技术,以普通氮气为原材料成功合成了超高含能材料聚合氮和金属氮,揭示了金属氮合成的极端条件范围、转变机制和光电特征等关键问题,将金属氮的研究向前推进了一大步。

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这意味着中国在掌握了全氮阴离子盐之后,再次掌握新的纯氮类物质,中国是全世界唯一一个能够稳定合成纯氮类物质的国家。这表示中国在新一代火药上一骑绝尘,成功超越美国,领先世界。

在现代战场,环三次甲基三硝胺(RDX)和TNT及相关混合装药共同统治了炸药领域的半壁江山。但是人类一直想开发更高性能的炸药。

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目前,基于化学能的含能材料已经到达了一个瓶颈,高能量密度炸药成为了科学家探索的一个新方向。而超高能量密度材料的标准大概只有金属氢、纯氮类物质和核同质异能素之类才能达到。

金属氢和纯氮类物质为什么是下一代火药核心材料

氢本身就是一种能量巨大的燃料,在常温下是一种气体,在低温下可以成为液体,在温度降到零下259℃时即为固体。如果对固态氢施加几百万个大气压的高压,就可能成为金属氢。地球自然界是不存在金属氢的,人们预计,在木星和土星地核处的强大压力和低温下,才会存在液态和固态的金属氢。

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金属氢更是一种高密度、高储能材料,而且还可能具备高温超导性,其本身就储藏着十分巨大的能量,这一数值理论上比普通的TNT炸药要大30─40倍,这样的威力单独用于做炸弹就已经非常厉害了,如果能够将其用于战术型氢弹初级,取代原先的核裂变材料,那威力更是不可小觑,因此被美方的科研人员视为制造“亚核”武器的理想材料。

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到目前为止只有美国的哈佛大学实验室声称成功制造出金属氢。不过该样本已于2017年2月22日由于操作失误而消失,哈佛大学实验室的这一成果还是饱受各国科学界的争议,很多机构都认为哈佛在这一实验上造假。

亚历山大就是其中之一,亚历山大·冈察洛夫与合作者重新检验比较哈佛团队声称的金属化的反射率数据后表示,该光学特征结果并不是来自于氢样品本身,

“由于哈佛大学研究者未能提供氢从气态连续演化到原子金属态的详细过程和路径,因而他们的观察结果与氢性质的转化没有必然联系”。

另外就算哈佛大学真的制造出来了金属氢,这还处于一次做出微克级,用的还是极其昂贵的仪器——金刚石对顶砧,所以可能离实用还有很大的距离。

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金刚石对钻

氮气占大气总量的78%。通常情况下氮气以无色无味的双原子气体分子形式存在,然而在极端高温高压条件下,氮分子会发生一系列复杂的结构和性质变化,比如分子发生解离进而发生聚合作用形成聚合氮或进一步形成金属氮,这两种形态的氮材料都是典型的超高含能材料,是目前常用炸药TNT能量密度的十倍以上,具备高密度、高能量、爆轰产物清洁无污染(爆炸产物为氮气,无污染)、稳定安全等特点。

纯氮类物质主要包括离子型、共价型和聚合氮等3类,纯氮类物质的相关材料的研制成功有望在炸药、火箭推进剂和新一代无污染氢弹等领域产生惊人的发展。甚至能够用来制造科幻片中的“N2爆弹”。

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但是人们对全氮类物质的了解一直没有取得深入进展,1772年从大气中分离出来 N2 以后 ,直到 1890 年 Curtius 和 Radenhausen 才 发 现了第一种全氮离子 N3- ,但此后,其他与全氮物质的相关研究一度止步不前。第二次世界大战以后,相关全氮物质的研究得到了极大关注:在合成方面,用于制备全氮离子的前驱体芳基五唑直到1956年首次被合成,全氮类化合物的理论计算也得到了进一步的发展。

1998年,美国科学家卡尔·克里斯特于合成了一种名为“N5+”的物质(也就是全氮阳离子),仅仅盐粒大小,就炸毁了一个通风橱,又称为“盐粒炸弹”。让人类第一次见识到了纯氮物种的威力。这是在化学史上自 N3- 以后百年来第一次得到 N5 粒子,是有史以来分离出来的第三个全氮物质。

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被炸毁的实验室

但是人们后来想要稳定地制备出全氮阳离子一直没有成功,从那以后,关于全氮类物质的研究进展就几乎为零。

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中国在纯氮类物质上取得多次突破

2017年,我国科学家来自南理工的胡炳成教授团队成功合成世界首个全氮阴离子盐(N5-)。这表示中国已经掌握了稳定合成全氮阴离子盐(N5-)的能力。

而亚历山大的研究成果标志着中国在纯氮类物质研究上再取得新突破。

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之前亚历山大就已经掌握了超快光谱、激光冲击预压缩金刚石对顶砧、时域超快连续光谱等尖端高压实验技术。这些技术从化学键的形成机理出发,旨在通过极端条件手段获得新的物质结构形式,为人类的探索自然提供强有力的工具。他们采用这些技术已经成功合成了钠-氢,钠-氦,氮-氢等体系的新的物质结构,并阐明了其物理化学特性。这为亚历山大的研究积累了基础。

“金属氮”在自然界地球表面并不存在,据科学家研究发现,它是存在于地核中的物质,分子结构的排列等同于金属,“金属氮”并不容易获得,需要高达百万大气压(GPa)的极端高压和几千度的高温条件。

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亚历山大团队以普通氮气为原材料,在原有的金刚石对顶砧装置的基础上引入了脉冲激光加热技术和超快光谱探测方法,建成了集高温高压产生及物性测量的原位综合实验系统。

利用综合实验系统,研究人员获取了高达170GPa、8000K高温高压极端条件,并在此条件下原位研究了氮分子在绝缘体—半导体—金属转变过程中的光学吸收特性和反射特性,确定了氮分子解离的相边界及金属氮合成的极端压力温度条件范围(125GPa-2500K以上),原位光谱分析研究也进一步证实了实验中确实合成了具有半金属性质的聚合氮和具有完美金属特性的“金属氮”。

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获得中国政府“友谊奖”的亚历山大

金属氮和氮阴离子盐一样,它们的爆炸能量达到TNT炸药的3-10倍,最高可以达到25~35倍。爆速从9000米每秒提升到14000米每秒以上,爆压从30至40吉帕提升到90吉帕。

作为广岛原子弹引发临界核裂变效果“扳机”的奥克托今炸药,其爆能也不过是1.7倍TNT的威力。

除了可以作为炸药之外,在用作火箭推进剂时,全氮高能材料能显著延长发动机的工作时间(即提高比冲),更高比冲的固体发动机在不增加导弹体积的情况下,将显著提升导弹射程。你可以想象一下,如果结合大威力高能炸药,现有体系下的中距弹就可能达到霹雳-1X的性能水平,具备超远射程和对超音速巡航目标的杀伤能力。

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因为更小的体积拥有更强的威力,战斗机可以像战舰一样携带大量的导弹进行作战。

大家可以想象一样,普通榴弹发射器之类的装备了这样的弹药,是不是威力就可以媲美榴弹炮了,效果是不是毁天灭地。

另外,众所周知,核武器的发展现今受到了国际社会的一致反对,国际社会之所以反对核武器,是由于其一次爆炸所带来的大规模杀伤,以及后续长年累月的核辐射。尤其是后者,是反对核武器的重要原因,因此,军事界又提出了一个新的概念——第四代核武器技术。

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第四代核武器技术就是为了克服核武器的辐射而研制的,又被称为核定向能武器,其不会产生辐射,因此使用的成本比普通的核武器要低。第四代核武器目前主要的种类有:干净聚变弹、同质异能素武器、激光引爆核炸弹等等,第四代核武器的出现,再一次掀起了世界大国之间的核武器竞赛。

目前,有一种新的第四代核武器构想,就是使用金属氢或者纯氮类物质作为爆炸材料,由于金属氢或者纯氮类物质爆炸威力相当于相同质量 TNT炸药的10-50倍,因此一直以来各个国家都想掌握。美国国家点火设施( NIF)科学计划以将金属氢列为重大研究项目。

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总结

目前,只有中国在新一代火药上取得了多方面的突破,就连美国都没有稳定地合成出金属氢或者纯氮类物质。可以说,中国在新一代火药上可以说实实在在地全方位领先世界,笑傲全球,未来,运用在高能战斗部、常规武器弹药和高能固体推进剂方面。也将会成为国家的核心威慑力量。

据说,美国得知这样的消息之后,气疯了,毕竟美国籍科学界帮中国掌握了这项超级技术!

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爆炸后只产生N2(氮气)的爆弹,简称N2爆弹,目前只存在于科幻电影

现在,亚历山大和同样是外聘专家,来自以色列的尤金·格列戈良共同努力,在高压下氢的研究也取得突破性进展,其中高压下氢第四相的成果由尤金·格列戈良茨和亚历山大·冈察洛夫共同完成,第五相也同样由尤金·格列戈良茨发现。此外,高压、低温区域的相边界和三相共存点的工作,以及对氢与其同位素氘的前三相相图进行修正并发现氘的新相的成果,也分别由亚历山大·冈察洛夫团队与尤金·格列戈良茨团队获得。

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而亚历山大团队成功获得“金属氮”不仅能够对其他形式高能氮材料的合成提供指导,也为未来“金属氢”的成功合成奠定了重要基础。因为合成“金属氢”所需要的极端高温高压条件与合成“金属氮”是类似的。

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亚历山大所在的安徽合肥研究院固体物理研究所已搭建起可进行高压氢样品装载的充气系统、高压低温和高压高温光谱测量系统、电磁输运性质测量系统、超快光谱在高温高压和低温高压下的测量系统等“金属氢”研究系统。

也期待他们可以成功合成“金属氢”,这样,中国就成为了全世界唯一一个拥有“金属氢”和纯氮类物质的国家,这将大大增强中国的对外威慑能力!

在我国像亚历山大·冈察洛夫这样的外国优秀人才已经越来越多,他们分布在基建、生物、化学、军工等各个领域,分别作出了自己的贡献。让我们一起为他们点赞!

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