@ 2017.06.10 , 08:00

金属氢短暂的一生

2017年1月,哈佛大学物理学家Isaac Silvera团队宣布,他们制造出了地球上最稀有、最珍贵的材料——金属氢,成功将高压物理这一领域带入了人们的视野。

为什么我们如此费尽心血地来研制金属氢呢?因为一旦金属氢问世,就如同当年蒸汽机的诞生一样,将会引起整个科学技术领域一场划时代的革命。金属氢是一种亚稳态物质,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而又干净的,我们就能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。用金属氢输电,可以取代大型的变电站而输电效率超过99%,从而使全世界的发电量增加四分之一以上。如果用金属氢制造发电机,其重量不到普通发电机重量的10%,而输出功率可以提高几十倍乃至上百倍。

然而2月22日,英媒报道,由于操作失误,这块唯一的金属氢消失了。

金属氢短暂的一生
氢气credit:Rex

什么是金属氢?明明是可以让气球飘起来的气体怎么就变成金属了呢?

氢,作为元素周期表的第一个元素,隶属于第一主族,第一主族都是碱金属元素,唯独氢显得格格不入。那什么是金属呢?当金属表面光滑时,它们反射光的效率很高(反射率高),因此它们具有“金属光泽”;但非金属却没有很高的反射能力,因而具有“无光泽的颜色”。这也是之后判断氢是否金属化的标志。

在大多数普通化合物中,原子由于共同享有电子而紧密地保持在一起。当电子都被紧紧地束缚在某一个原子上时,物质就表现出非金属性质。根据这种准则,氢是一种非金属。普通的氢分子是由两个氢原子构成的。每个氢原子只有一个电子,构成一个分子的两个氢原子共享那两个电子,也就是没有多余的自由电子。

而早在80年前,Wigner和Huntington就提出,在极端的物理条件下,氢会转变成一个氢原子分配一个电子,且电子可以自由移动的金属状态,类似碱金属。

怎样才能实现这种状态呢?既然常规方法已被证明行不通,科学家们决用“暴力”解决。他们对氢施加极大的外力,破坏原有的分子结构,改造成金属的结构。假定有足够的压力把氢原子非常紧密地挤在一起,以致各个原子都被8个、10个甚至12个近邻原子所包围。于是,每个氢原子的单个电子,不管原子核有异常强的吸引力,就可能开始从一个相邻原子滑到另一个相邻原子。这样你就会得到“金属氢”。

要实现以上的假设氢原子必须处在巨大的压力(500Gpa,大约5000000个大气压)下,在太阳系中最接近于满足这个条件的地方是在木星的中心,因此有些人认为,木星的内部也许是由金属氢所构成的。在地球上如何实现这么大的压力大呢?科学家发明了一种金刚石压砧(Diamond Anvil Cell,简称DAC)的方法。当能施加的压力达到极限时,通过减小受力面积可以获取更高压力。

哈佛的学者们就是运用这一方法,在-268摄氏度下将极少量液态氢放在金刚石的砧面(就是钻石的尖端,直径50微米),将两个钻石合拢,施加外力,从而达到极高的压力。在压强不断升高的同时,用红外光测量氢的反射率,以判断它是否金属化。当压力达到495Gpa时,他们惊喜的发现原本黑色的固态氢逐渐变得有金属光泽,反射率也达到了0.91,其他的参数如等离子体频率,电子密度也都符合金属的特性。就这样第一块金属氢就制备成功了~

金属氢短暂的一生
样品状态的转化:205Gpa是透明的液态氢,415Gpa不透明固态氢,495Gpa变成金属。credit: Ranga Dias & Isaac F. Silvera

正当哈佛的学者们准备嘚瑟时候,悲剧发生了。2017年2月22日,也就是论文在Science上发表的一个月后,当Isaac团队尝试用低功率激光器测量压力时,听到了轻微的“咔嗒声”,表明其中一块金刚石已碎成尘埃。钻石恒久远,一颗永流传”的神话在495Gpa的极高压力下,也是显得弱不经风。Isaac说“我的心沉到了低谷”,这一灾难性的失败使样本消失了。

# 原文始发于公众号 牛油果进化论

本文译自 Ranga Dias & Isaac F. Silvera,由译者 Hulk 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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