气体变金属 金属氢是如何被创造出来的？

　　科学家们在创造一种特殊形态的物质，这种物质是太阳系中巨行星和太阳的一种重要组成元素。1月26日出版的《科学》杂志上传出消息：在历经近一个世纪之后，科学家终于成功地将曾经的理论变为现实—— —他们创造了这个星球上最稀有的，也是最有价值的材料：金属氢。

　　80年前提出的理论假设

　　氢是宇宙中最丰富的元素，它由最简单的元素构成，在通常的认知下它是一种气体—— —至少在典型的温度和压力下氢单质是以气态的形式在地球上被发现的。在19世纪后期，氢气被认为是无法液化的“永久气体”。1898年，詹姆斯·杜瓦制作了拥有巧妙热力学设计的“杜瓦瓶”，首次将氢气液化。1899年，杜瓦又首次制取了氢气的固态。

　　在随后的十年里，液氢实现了工业化大量生产。20世纪30年代，E·P·维格纳等人预测，在25GPa(25万个大气压)下，氢将呈现出金属性质。人们相信，处在元素周期表中第一位的氢元素在足够大的外界压力条件下，分子键会断裂，从而形成一个新的金属原子态，而这种原子态有可能具有超过室温的超导电性。

　　在25GPa下形成金属原子状态的氢，这是80年前提出的理论假设。但此后的实验表明，需要的压力远高于此。上世纪60年代，通过高压，人们制备了“金属碘”，然后黑磷等等的发现也在逐渐证实这一观点。逐渐地，硫等单质均被高压所征服。四十多年来，世界各地的研究人员一直在努力尝试创造金属氢，这是物理学领域最活跃的研究，可以称得上物理学领域的圣杯。

　　压力条件高于地球中心压力值

　　1989年，卡内基研究所霍古阿·马奥博士等人在-196℃的极低温和250万个大气压下，首次制取了成为黑色超微粒子化的一种新固态氢单质。

　　2016年，来自爱丁堡大学的物理学家，使用了一对钻石来挤压氢分子实现高压，同时分析它们的行为。他们发现在压力相当于地球大气压的325万倍时，氢进入到了固体状态，被命名为“状态五”，这时候氢开始表现出一些有趣的和不寻常的特性。它的分子开始分成单个原子，原子中的电子表现出金属特性。该团队声称，他们发现的状态还只是分子分离的开始，如果想要创造出理论预测的纯原子和金属状态的氢，还需要更高的压力。

　　此次哈佛大学团队发现的金属氢，是由自然科学系教授伊萨克·席尔瓦拉和他的博士后研究员兰加·迪亚兹共同完成的。他们将一块微小的固态氢样品置于495千兆帕斯卡的高压下(大约相当于488万个大气压)，这一数值甚至超过了位于地球中心的压力值。在这一极端的外部压力下，分子氢的化学键将被打开，最终形成由氢原子为最小单位而组成的晶体氢，即具有金属性质的金属氢。

　　对氢气进行压缩处理极为困难，因为它很轻，容易从容器中泄漏出去，同时化学活性又很强，易与其他材料发生化学反应。为了达到能够创造这一全新材料的苛刻条件，席尔瓦拉和迪亚兹选择了两块经过精心抛光的合成金刚石。这两块金刚石在使用之前经过了特殊处理，使其变得更加坚固。随后，这两块金刚石相对地安装在金刚石对顶砧上。

　　席尔瓦拉说，“我们使用钻石粉对金刚石的表面进行了抛光处理，但是它可能会破坏金刚石表面的结构，剥离碳原子。当我们使用原子力显微镜对钻石表面进行观察时，我们发现了一些缺陷。而这些缺陷可能会削弱材料的强度，并有可能引起材料的断裂。”

　　为了解决这一问题，他们使用了反应离子蚀刻工艺，从金刚石的表面刮削出一层仅为5微米厚的微小薄层—— —该厚度仅为人类头发直径的十分之一。随后，他们将金刚石的表面涂覆上了一层氧化铝薄层，以防止氢扩散到金刚石晶体结构中，引起材料脆化。

　　在经过长达四十多年的不懈耕耘后，席尔瓦拉坦言，他第一次亲眼见证这一材料，内心无比激动。这一天，距离金属氢第一次在理论层面上提出，已经过去了近一个世纪。

　　一种清洁的高能含能物

　　作为预言中的物质，氢原子在高压状态下呈现金属电性结合的金属氢物质作为高能含能物，无论在高能炸药、火箭燃料，高温超导体领域都有广阔的应用前景。

　　金属氢的高能密度对航天工业意义重大，现在的火箭是用液氢作燃料，因此必须把火箭做成一个很大的热水瓶似的容器，以便确保低温。理论上以金属氢作为燃料的火箭发动机比冲可以高达1700秒—— —远超目前的先进水平450秒。如果使用了金属氢，火箭就可以制造得灵巧、小型。金属氢应用于航空技术，就可以极大地增大时速，甚至可以超过音速许多倍。由于相同质量的金属氢的体积只是液态氢的1/7，因此，由它组成的燃料电池，可以较容易地应用于汽车。

　　金属氢作为超高含能物质，能量密度高达218kJ/g，是TNT炸药(4 . 65kJ/g)的约50倍，是综合性能最好的奥托金HMX炸药(5 . 53kJ/g)的约40倍。当然，作为负氧系数100%的材料，金属氢在爆炸中需要完全的外部氧化剂供应，其爆炸条件过于苛刻，在具体的爆炸物实际应用上难度很高。也就是说哪怕真正成功量产金属氢，也很难成为“无污染核弹”。

　　超导材料方面，理论上金属氢可能在开氏温度160K(-113 . 15℃)甚至290k(16 . 85℃)的高温下出现超导现象，非常有可能成为实用化的常温无电阻导线材料，引发电力传输上的革命性变化，使磁悬浮或者高速列车成为现实。同时可以用于制造效率更高的电动汽车，提高电动设备的性能。那时，汽车造成的污染也就大大减少了。

　　金属氢还是一种亚稳态物质，可以用它来做成约束等离子体的“磁笼”，把炽热的电离气体“盛装”起来，这样，受控核聚变反应使原子核能转变成了电能，而这种电能将是廉价的又是干净的，在地球上就会方便地建造起一座座“模仿太阳的工厂”，人类将最终解决能源问题。

　　而在行星科学家看来，像木星这样的气体巨行星的内部也有着极高的压力，因此其内部很可能就是由类似固态氢的物质组成。因此，通过人为制造超高压来压缩氢气，也能帮助科学家了解气体巨行星的内部结构。