在跨洲飞行之前，喷气式飞机要加注数万加仑燃料。一旦发生坠机事故，如此大量的燃料会加剧撞击时的爆炸威力。加州理工学院与JPL的研究人员发现了一种聚合物燃料添加剂，可降低事故和恐怖袭击中撞击后爆炸的强度。此外，初步结果表明，该添加剂可在不对燃料性能产生不利影响的情况下带来这一益处。
该研究发表于10月2日出版的期刊 《科学》。
喷气发动机压缩空气，并将其与细雾状的喷气燃料混合。电火花点燃空气与喷气燃料的混合物，引发受控爆炸，推动飞机前进。喷气式飞机正是依靠成千上万次这样的微小爆炸获得动力。然而，用于点火的燃料喷雾分布过程，即雾化，也会导致燃料迅速扩散，并在撞击时容易起火。
该添加剂在 Julia Kornfield （1983年获理学学士学位）、化学工程教授的实验室中研制而成，属于一类聚合物，即由许多重复亚单元组成的长分子，其两端各由类似魔术贴的单元封端。这些聚合物会自发连接，形成称为“巨超分子”的超长链。
Kornfield表示，巨超分子具有前所未有的性能组合，能够控制燃料雾化、改善燃料在管道中的流动，并减少烟炱生成。在碰撞条件下，巨超分子会抑制雾化；而在发动机燃油喷射过程中，则允许雾化发生。
其他聚合物也显示出这些优势，但存在缺陷，限制了其实用性。例如，超长聚合物在通过泵、管道和过滤器时往往会发生不可逆断裂，从而失去其有用的性能。然而，巨超分子不存在这一问题。尽管超分子在通过泵时也会分解成较小的部分，但这一过程是可逆的。单个链末端类似魔术贴的单元在相遇时会简单地重新连接，从而有效地“修复”巨超分子。
加入燃料后，即使聚合物浓度低到不足以影响液体的其他性质，巨超分子也能显著改变其流动行为。例如，该添加剂不会改变燃料的能量含量、表面张力或密度。此外，使用含该添加剂燃料的发动机，其功率和效率保持不变，至少在迄今已测试的柴油发动机中如此。
发生撞击时，超分子会迅速发挥作用。超分子大部分时间以紧凑构象盘绕。然而，当流体突然被拉伸时，聚合物分子会伸展开并抵抗进一步的拉伸。这种拉伸使其能够在撞击条件下抑制液滴破碎，从而减小爆炸规模，同时也能减少管道中的湍流。
“巨超分子的构想源于超长聚合物，”共同第一作者、研究科学家Ming-Hsin “Jeremy” Wei（2014年获博士学位）说。“20世纪70年代末和80年代初，聚合物科学家非常热衷于在燃料中添加超长聚合物，以减轻飞机撞击后爆炸的强度。”Wei表示，该构想于1984年在一架飞机的全尺寸坠机测试中接受了检验。飞机被火球短暂吞没，引发负面报道，超长聚合物也因此迅速失宠。
2002年，JPL的Virendra Sarohia（1975年获博士学位）希望重启雾化控制研究，以期防止再次发生类似9-11的袭击。“他主动联系我，说服我为喷气燃料的雾化控制设计一种新型聚合物，”新论文的通讯作者Kornfield说。第一次突破出现在2006年，当时担任其实验室研究生的Ameri David（2008年获博士学位）从理论上预测了巨超分子。David设计了足够小的单个链，既能消除先前的问题，又能在低浓度下动态结合形成巨超分子。他认为，这些组装体可能具备超长聚合物的优势，同时还具有一项新特性：能够无损地通过泵和过滤器。
Wei于2007年加入该项目后，着手制备这些理论分子。事实证明，制备长度符合要求、两端都带有足够强“分子魔术贴”的聚合物是一项挑战。借助由 Robert Grubbs（Victor and Elizabeth Atkins化学教授、2005年诺贝尔化学奖得主）开发的催化剂，Wei研发出一种方法，能够精确控制分子魔术贴的结构，并将其放置在聚合物链的正确位置。
科学与工程的融合是成功的关键。现任职于JPL的工业化学家Simon Jones帮助Wei开发了实用方法，用以制备端基为类魔术贴结构且越来越长的链。共同第一作者、加州理工学院研究生Boyu Li协助Wei探究这些新型聚合物令人兴奋的行为背后的物理原理。密歇根州沃伦市美国陆军坦克自动车辆研究开发与工程中心（TARDEC）的科学家Joel Schmitigal进行了关键测试，使该聚合物走上了获批成为新型燃料添加剂的道路。
“展望未来，如果要在数千加仑的喷气燃料、柴油或机油中使用这种添加剂，就需要一套大规模生产工艺，”Wei说。“因此，我的目标是开发一种能够连续生产该聚合物的反应器，我计划在不到一年内实现这一目标。”
“最重要的是，”Kornfield说，“我们希望这些新型聚合物能够挽救生命，并尽量减少撞击后燃料火灾造成的烧伤。”
本文与 加州理工学院合作发表。发表不代表世界经济论坛对其观点的认可。
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作者：Jessica Stoller-Conrad，专注于食品、健康和科学报道的作家。
图片：全新空客A 380超大型客机停放在法兰克福机场。REUTERS/Kai Pfaffenbach。
