高能材料微观理论研究中的分与合

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。

三、 量子炸药化学研究——分合有序示例

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。