走进科学
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。
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~
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 Hulk 编辑发布。