“金属氢”终于被制造出来了吗?

2017年初,哈佛大学研究人员在《科学》上发文称,在高压低温下发现了金属氢,一时轰动科学界。如果这属事实,那么他们毫无疑问将获得诺贝尔奖。

金属氢是一种传说中的物质。元素有金属与非金属的差别,金属一般具有导电性,却具有金属光泽,基本在常温下为固体(只有汞为液体);非金属,则一般为绝缘体,只有极少数属于导体(如碳)和半导体(硅)。

但按照粒子的构成,元素之间是能够在压力之下进行转换的,也就是说,金属可以变非金属,非金属也可以变成金属。如在大约20年前,分子氧已经被证明在大约100万倍大气压下变成了一种金属。

那接下来的问题就来了,氢,这种非金属,能变成金属吗?

80年前,科学家们就做出了这样的结论,但直到今天,我们还没有亲眼见到过金属氢。按照科学家们的论断,在太阳等恒星,以及行星内核,都有金属氢的存在。

理论应该是正确的,那么怎么才能把氢变成金属氢呢?

首先是极高的压力,大约相当于488万个大气压,然后还需要-200°上的低温,才能得到金属氢。哈佛大学正是在这一温度下宣布制成了金属氢的。

样品镜下图(205Gpa还是透明的液态氢,415Gpa不透明固态氢,495Gpa变成金属)

这是一个很神奇的过程,氢原子在高压之下排列越来越紧密,越来越紧密,最终它们肩并肩地占到了一起,最终也从透明变成了不透明。

金属氢如果一旦能够制备,那人类的材料史将会向前迈进超级一大步。

金属氢是一种类似金刚石(钻石),具有亚稳态的特性,即一旦形成,就不会再变回气体氢。而金属氢因为没有电阻,所以人类可以用它来实现梦寐以求的0损耗输电。

同时,以为金属氢里含有超级大的能量(形成过程耗费极大能量),所以它将是人类能源史的一次革命。火箭飞天如果用金属氢,那去个火星将不再困难。

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2017年1月26日,美国研究人员宣布可能最终能够产生金属氢,这是一种复杂而难以捉摸的状态,金属氢最早是在80多年前理论化的。

美国哈佛大学的兰加·迪亚斯博士和艾萨克·西尔维拉教授成功地将氢气冷却到-268℃,同时将其压缩到令人震惊的480万个大气压。

难以置信的高压是通过使用钻石砧座实现的。但这不是一个简单的方法。多年来,科学家们一直试图应对这种压力,直到现在科学家们才做到正确的设置。

金属氢以前从未制造过,因为钻石在达到足够高的压力之前就已经失效了,科学家不使用天然钻石,而是使用非常均匀的合成钻石,天然钻石具有不均匀性、内部缺陷和杂质。

标准状态下氢是一种分子气体,其原子成对结合,每个原子与另一个原子共享一个电子。当氢被放在钻石砧座之间时,压力增加。

在320万大气压的压力下,氢气变得不透明(因此得名黑色氢)并且也是半导体。但是只有更高的压力才能破坏分子键并产生金属氢相。这种气体似乎变成了金属,具有金属原子所具有的预期特性。科学家认为金属氢是固体,但无法通过实验证实这一点。

确认该实验是否可重复非常关键。虽然美国科学家非常自信,但其他人对此表示怀疑。

氢的这一特殊阶段最早是在1935年由魏格纳和亨廷顿预测出来的,从那时起,实现这一点就成了“高压物理学的圣杯”。但是维格纳和亨廷顿对必要压力的估计是错误的。他们认为金属氢可以在250000个大气压的压力下获得,几乎比哈佛研究人员声称的要小20倍。

为了科学,创造金属氢的能力不仅仅是科学的胜利。理解宇宙中最丰富元素的金属性质具有多学科影响。

金属氢被认为在压力消除后在室温下是亚稳定的,因此可以用于核聚变。它也被认为是高温超导体,如果得到证实,这将是一个超级性的突破。甚至天文学也可能从这一发现中受益——木星、土星和系外行星的核心可能由金属氢构成。

金属氢氢元素的一种存在状态,但不要认为金属氢是固体的,其实大部分情况下,金属氢都是液体(想想水银)。

为什么叫“金属”?

金属氢之所以被称为“金属”,是因为氢原子的唯一电子使得它可以表现得就像金属一样可以导电(想想IA族其他金属元素如锂、钠、钾等性质有一定的相似性质),但不同的是金属氢是一种超流体,具有超导性质(没电阻)。

在高压和高温下,金属氢才可以液体而非固体形式存在,科学家们认为,木星、土星和一些大型的气态行星因为内部重力形成的高压就会在其大气层下深处形成大量的金属氢。

上图:从透明的氢气转变为由原子紧密结合成的金属氢。只有钻石可以耐受这个压力强度。

金属氢人工制造出来了吗?

  • 1996年,冲击波压缩实验偶然制造出金属氢

1996年3月,劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一组科学家报告说,他们偶然地首次制造出了金属氢,在数千开尔文的高温下压力大约为1 微秒,压力超过1,000,000个大气压,密度约为为0.6克 /厘米3。他们没有想到会产生金属氢,因为他们并不需要在实验中使用金属氢——只是个副产物,何况这实验的运行温度已经高于氢金属化的理论温度上限。之前的研究将固体氢气放在金刚石砧内压缩至高达2,500,000个大气压都没有检测到金属氢的存在。

  • 2009年,Zurek等人首先通过理论预测六氢化锂构成的合金可以在金属氢稳定存在所需四分之一的压力下形成稳定金属,并且推测类似的金属氢合金,也就是说诸如XHn这种化学式(其中X是碱金属)的金属氢合金也应该有类似的效果。后来在八氢化錒( AcH8)和十氢化镧(LaH10)中证实了这一点,其超导相变温度接近270K(零下3.15摄氏度左右),这让人们猜测其他化合物甚至可能使得金属氢可以在仅更低的压力和室温下实现超导。

  • 2011年,Eremets和Troyan报告在2,600,000-3,000,000个大气压下观察到氢和氘的液态金属态。但2012年,有其他研究人员质疑了这一说法。

  • 2015年,科学家在Z脉冲功率设施上使用稠密液体氘制造除了金属氘。

  • 2016年10月5日,哈佛大学的Ranga Dias和Isaac F. Silvera 发布了实验证据的声明使用钻石砧构成的微孔单元在实验室中以约4,890,000个大气压的压力下合成了固体金属氢。随着压力的增加,研究人员亲眼看到样品从透明变暗,最后变为带光泽的金属色。此结果发表在《自然》杂志上。但这个团队没有测量它们制备的金属氢是液体还是固体,以及是否导电,因为他们害怕过多的测量会在论文发布之前破坏样本。
    这个实验制备了地球上唯一的金属氢样本,但在2017年2月,这个宝贵的全世界唯一的金属氢样本却因设备事故“人间蒸发”了。

上图:网络媒体报道《世界上唯一的金属氢样本消失了》

哈佛大学的制备的这丁点金属氢是世界上唯一稳定保存的金属氢样品。这份金属氢气的储存温度约为80开尔文(-193摄氏度和-316华氏度),而用来保存样品的两块钻石之间的压力非常高。

事故发生在2月11日,当时该团队正准备将这个珍贵的样品打包并运送到芝加哥的阿贡国家实验室进行进一步测试。原因可能是之前的一次测试导致钻石产生了破裂(钻石都能破裂?!OMG),从而导致装置失压,研究人员就再也没看到原来的金属色。

但这并不一定意味着制备的金属氢已经被破坏,因为样品厚度仅为1.5微米左右,钻石微孔单元的直径为10微米——是人类头发直径的五分之一(两块钻石凹凸相互挤压), 因此这些金属氢也可能仍然保持稳定并聚集在某处,只是没找到而已。但另一种可能性是,钻石砧的压力泄掉,氢气就会变回气体,这表明金属氢在室压下无法稳定——这是研究预测的情况之一。

上图:金属氢的形成过程和原理示意。从左到右,依次从透明的分子氢到黑色的氢半导体再到原子化的金属氢。

  • 2019年6月,一个法国研究团队声称使用环形剖面DAC使在425吉帕的压力下制造出了金属氢。

为什么争着制造金属氢?

因为金属氢有这些潜在的用途:

  • 常温超导,这个前面提到了,某种金属氢的合金可能实现在常温的超导特性;

  • 一种非常好的量子液体——金属氢可能具有量子态,而不能被认为是通常意义上的超导或超流体。 但它们可能被确定为两种新型的重叠态量子流体:超导超流体金属超流体,专家估计这两种超流体会对外部磁场和旋转具有非常不寻常的反应。还有人提出,在磁场的影响下,氢可能表现出从超导性到超流性的相变,反之亦然。因而可以用磁场来操控超流体的相态。

  • 高能量的火箭燃料,因为压缩的氢原子之间存储了巨大的电位势能,而氢本身密度很小,如果能够制备成为常温燃料,那其化学能量密度是没有其他任何化合物可以比拟;

上图:以液氢冷却的金属氢燃料单级火箭的各种参数预估。

结语

人类在实验室类已经多次成功地以不同的方式制造出了金属氢。液氢具有非常多实用价值,我们可以期待在未来数年内科学研究在液氢的制造方面有所突破。

从arXiv的文章来看,作者用自己新开发的环形金刚石对顶砧技术,获得了超过400 GPa的高压,他们发现在80 K的低温和425 GPa的压强下,氢通过一级相变转变成了金属态。不过撤掉高压后,金属氢又变回了非金属态。

科研毕竟不是狼来了,这一次,的确是重大的突破。

的确是大众喜闻乐见的“打脸”。不过,这个突破,距离实际应用差之太远。

对于80K的低温来说,还好办一些。但对于425GPa的压强,那就真是无可奈何了。

我们可以看一看这么一组数据:地壳深处的压强为1GPa左右,地幔深处的压强为150GPa,地心深处的压强为370GPa。

世界最深海沟马里亚纳海沟,深度达11040.41米,大约相当于1100个标准大气压,已经是人类征服极限,而1GPa大约是1W个大气压,压强是最深海沟的10倍左右。

425GPa的压强,是1GPa的425倍,更是远远大于370GPa。

当然固体火箭的极限压强是13 Mpa,大约也就是100多个大气压。距离425GPa压强(4000000多个大气压),是指数级的差距。不可能存在任何材料,能够在425GPa压强下,维持在人类理想的形状。

这就注定了,金属氢要么只能位于大型天体内部,或者只能存在于实验室。

还记得初高中化学课上背元素周期表的恐惧吗?不仅仅要按照顺序横着背,还要按照族竖着背。其实这是有道理的,横着按照顺序背可以记住原子序数,而竖着的一族具有相似的性质。氢所在是第一主族,还有其他锂、钠、钾铷、铯、钫,除了氢之外其他都是金属元素。

所以在上个世纪八十年代就有学者提出通过物理手段把氢变成金属氢说法。在2017年1月份来自哈佛大学的物理学家艾萨克·席维拉研究团队宣布,他们成功制造出了金属氢,广受关注。金属氢具有特殊的性质兼具金属特性,可以进行远程输电,效率非常高。如果真的成功量产金属氢,那将是一次空前绝后的技术革命。

但后来该团队宣布制造的金属氢消失了,而至此之后就再也没过关于金属氢的技术突破或者重要消息出来。制作金属氢也是非常困难的,需要极端的环境,超高的压力和超低的温度。该团队制作金属氢的方法也很特殊,首先需要两个金刚石压砧,相互之间的受力面积非常小,大约在50微米左右,不及一根头发丝的直径。

在两个金刚石压砧之间放上液态氢(做好密封),之后施加压力挤压液态氢。之后用红外设备探测氢的反射率,金属氢表面是非常光泽的。当压强变为495Gpa的时候,液态氢变成了金属氢,红外线下观测其具有金属光泽。但是后来因为金刚石的破碎,导致金属氢消失。至今也没有哪个团队再次制造出金属氢。

天文学家猜测木星的核心处有着巨大的压力,液态氢载体是的环境下形成金属氢。


文/科学黑洞,图片来源网络侵删。

已经制造出来了,不但是金属氢,还有阴极雷,在公开的资料里都有,现在的问题是量产。现在唯一能生产两种物质的国家是中国。

高温高压条件下制造出来金属氢,木星核心就是金属氢。很多物质只有在高温高压条件下才能合成,有的物质只有在强引力,强电磁力条件下才能存在。

氢是元素周期表的第一个元素,也是最简单的。它是宇宙中含量最丰富的元素,在忽略暗物质的情况下,它占据了总质量的四分之三。

△ 宇宙之中遍布着氢气,它们是恒星的终极燃料。(图片来源:ESO/S Guisard)

正常情况下,氢是一种气体。如果把它冷却到零下253摄氏度,氢会变成液体,是常见的火箭燃料,被应用于航天飞机的主要引擎中和其它地方。

但是,如果我们能够想办法把氢变成金属的,那么它将具有更大的潜力。一些物理学家认为金属氢可能是一种室温超导体,意味着它可以在室温下导电,并且不会有任何损耗,这会使电力输送更加有效。大部分超导体只能在接近绝对零度时存在,因此寻找高温超导体一直是科学家的目标。目前高温超导体的最高纪录是马普研究所的零下70摄氏度。

1935年,Wigner和Huntington就预测,如果在高压下(比在地球表面高出25万倍),就可能形成金属氢。科学家为此奋斗了几十年,但都没有成功。

△ P-T相图:表示温度和压力之间的一种关系图。该P-T相图显示了氢转变成金属氢的两种途径。

直到现在。或许。在《科学》期刊新发表的论文中,哈佛大学的物理学家 Isaac Silvera 和 Ranga Dias 宣称,在495GPa(千兆帕斯卡)的高压(大约500万个大气压)以及零下268摄氏度的环境下,他们成功地制造出了金属氢。

之前的相关实验之所以会失败是因为,实验所需要的金刚石在抛光处理的时候经常会破坏金刚石表面的结构。而 Silvera 他们将金刚石的表面涂上了一层氧化铝涂层,以防止氢扩散到金刚石晶体结构中,引起材料脆化。他们将金刚石砧放进一个称为低温恒温器的冷却设备中,并压缩气体。

△ 两颗金刚石砧压缩氢分子,在压力足够高的条件下,样本转化为氢原子。

大约在 335GPa 的时候,氢气会转变为黑色,表示氢已经转变到可以吸收光的形态。接着,到了 495GPa 的时候,他们的样本开始发光。而这也是研究人员所宣称的氢已经变成金属!

△ 当压力逐渐升高时,透明氢分子(左)会转变为黑色氢半导体(中),再转变为金属氢原子。(图片来源: R. Dias and I.F. Silvera)

Silvera对媒体表示:“这是高压物理学的圣杯,是地球上第一个金属氢样品。也就是说,当你看到它的时候,你看见的其实是一种世界上从未存在过的东西。”

所以,我们真的发现金属氢了吗?

其他的物理学家并不买账。

比如同样在尝试制造金属氢的物理学家 Paul Loubeyre 就告诉《自然》:“我并不认为他们的论文具有说服性。”

Loubeyre 和其他的怀疑者主要的反驳点在于,Silvera和Dias的实验结果只有一个数据点:在高压下,只测量到一次金刚石样本的反射性。虽然,这可能是金属氢,但也有可能是其它的,像他们涂在金刚石表面的氧化铝涂层。

△ T-P相图,这是氢变成金属的第一种途径。(图片来源: R. Dias and I.F. Silvera)

Loubeyre表示:“如果他们想要让结果更具有说服力,他们必须重复测量,并且测量压力的演化。接着他们必须显示,在这个压力的范围内,氧化铝不会形成金属。”

Silvera也告诉《自然》,他们只是想在进一步验证之前,把他们的发现告诉全世界。有限的实验空间阻止他们继续尝试制造更多的金属氢,他们也担心如果做更多的测试会损害或破坏他们现有的样本。但是他们会在未来继续尝试。

如果他们的金属氢是真的,那么他们认为金属氢可以作为室温超导体,改变运输系统;还能为能量的产生和存储带来重大改革;也可以作为超强的火箭推进剂(理论上,要比液态氢好三倍),帮助人类更好地探索太空。

在更多的实验验证之前,我们应该合理地带着一点怀疑去看待这次的宣布。但是,我们更希望金属氢能够在不久后得到验证,毕竟现在我们有了方向和信心继续前行。

文/正恩/原理(principia1687)

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