金屬氫

氫是人們最熟悉的化學元素。它在常温下是一種氣體，在低温下可以成為液體，在温度降到零下259℃時即為固體。如果對固態氫施加幾百萬個大氣壓的高壓，就可能成為金屬氫。金屬氫的出現是當代超高壓技術創造的一項奇蹟，它是高壓物理研究領域中一項十分活躍的課題。

氫在金屬狀態下，氫分子將分裂成單個氫原子，並使電子能夠自由運動。在金屬氫中，氫化學鍵斷裂，分子內受束縛的電子被擠壓成公有電子，這種電子的自由運動，使金屬氫具有了導電的特性。因此，把氫製成金屬，關鍵就是把電子從原子的束縛下解放出來，把共價鍵轉變為金屬鍵。 ^[2] 

在1935年，英國物理學家貝納爾就預言，在一定的高壓下，任何絕緣體都能變成導電的金屬，只是，不同的材料轉變成導電金屬所需的壓力不同而已，有的材料，如磷，已能獲得導電體，但穩定的金屬氫樣品始終沒有得到。在蘇聯、日本、美國的幾個實驗室中，只在上百萬大氣壓的超高壓下得到了金屬氫，不過，一旦恢復常壓，氫又回覆到初始狀態。判斷得到了金屬氫，依據是當處於高壓下時，它的電阻從10⁸歐姆變為10²歐姆（蘇聯人的數據），或從（1.26×10¹²）歐姆降到10²歐姆（日本人的數據）。

從20世紀40年代開始，美、英等國就投入了大量的人力、物力研製金屬氫。世界上的高壓實驗室已達100多個。我國已研製成功了能產生100萬大氣壓的壓力機。我國研製成功了“分離球體式多級多活塞組合裝置”能產生200萬個大氣壓。中國等幾個國家宣佈已在實驗室內研製成功了金屬氫，這是人類向金屬氫邁出了可喜的一步。而要使金屬氫大規模投入工業生產，還有相當大的困難。但它已有力地推動和促進了超高壓技術、超低温技術、超導技術、空間技術、激光、原子能等20多門科學技術向着新的深度發展。可以預言，大規模製造金屬氫的時代已為期不遠了。

英國愛丁堡大學科學家利用鑽石對頂砧製造出某種極端高壓狀態，從而生成“第五狀態氫”，即氫的固體金屬狀態。這是一種新的物質形態，這種狀態的氫通常存在於大型行星或太陽內核之中，分子分離成單原子，電子的行為特徵像金屬電子一樣。

早在80多年前，這種狀態的氫首次在理論中被提出。從40多年前開始，科學家們一直在努力嘗試再造這種狀態的氫，但均未能成功。此次英國愛丁堡大學科學家利用鑽石對頂砧對氫實施壓縮到前所未有的高壓狀態，從而證實了這種罕見的“金屬態氫”的存在。“金屬態氫”狀態不穩，科學家此前也從未見過“金屬態氫”。

太陽和太陽系的大型行星的內核主要由這種高壓形式的元素構成。比如，木星和土星的內核被認為主要由這種形態的元素構成。該項研究主要負責人、英國愛丁堡大學物理和天文學學院科學家尤金-格雷高裏安茲教授介紹説，“在過去30年間，在無數次的高壓實驗中，科學家們都聲稱制造出金屬態氫，但後來這些實驗結果都被證明無效。我們的研究首次拿出了實驗證據證明氫可以像預測的那樣擁有固體金屬態，不過所需要的壓力也比此前想像的要高得多。研究成果將有助於基礎科學和行星科學的發展。”

英國愛丁堡大學研究團隊團隊使用鑽石對頂砧——一種能夠讓非常小量的物質被壓縮到極端壓力的設備——對氫氣進行了壓縮，即生成“第五狀態氫”所必需的壓力狀態，將氫壓縮成新的固體狀態。為了達到“第五狀態”，研究團隊所實現的壓力相當於325萬個地球大氣壓。科學家們利用激光顯微拉曼光譜儀觀測到了這種狀態的變化，從而通過實驗證明了氫的這種不尋常特性。

在這種極端高壓狀態下，分子開始分離成單原子。研究人員發現，電子的行為與金屬電子的行為特徵相似。儘管此次實驗比此前的實驗邁進了一大步，但科學家承認還需要繼續努力加以佐證。此外，為了生成單純的原子和金屬狀態可能還需要更大的壓力。

2017年1月26日, 《科學》雜誌報道哈佛大學實驗室成功製造出金屬氫 ^[1]  。

從理論上來看，在超高壓下得到金屬氫是確實可能的。不過，要得到金屬氫樣品，還有待科學家們進一步研究。 儘管還未把金屬氫拿到手，但理論工作者推斷，金屬氫是一種高温超導體，是高密度、高儲能材料。

已掌握的超導材料大多需在液氦（-269℃）或液氮（-196℃）冷卻下使用，這使超導技術的發展受到限制。金屬氫的超導臨界温度（即體現超導性質主最高温度）是-223℃~-73℃，可能能夠在固態二氧化碳（-78.45℃）温度下使用，這將大大推動超導技術的發展。

由於金屬氫是高密度材料，用它作燃料，火箭的體積和重量都會大大減小，航天事業將因此而產生巨大的飛躍。

和化學家不同，天文學家將氫和氦以外的一切元素統稱為金屬。在高温和高壓條件下，氣態的氫也可以成為電導體的金屬氫。以木星為例：最外層是1000公里厚的氣態分子氫，再往下是24000公里厚的液態分子氫，再往下是45000公里厚的液態金屬氫。

1936年美國科學家維那對氫轉變為金屬的壓力作了首次計算，提出了氫轉變為金屬的臨界壓力是在100萬到1000萬大氣壓的範圍以內。在世界各國正通過多種途徑來產生超高壓制取金屬氫。比較成熟的有兩種方法，一種叫動態壓縮法，即是從強磁場中採用快速衝擊壓縮，獲取高壓來製取金屬氫。另一種叫靜態壓縮法，即採用1000噸重以上的壓力機或用將近10層樓高的水壓機來產生100～200萬大氣壓的高壓，壓縮液氫來製造金屬氫。

為什麼人們如此費盡心血地來研製金屬氫呢？這是因為一旦金屬氫問世，就如同當年蒸汽機的誕生一樣，將會引起整個科學技術領域一場劃時代的革命。

金屬氫是一種亞穩態物質，可以用它來做成約束等離子體的“磁籠”，把熾熱的電離氣體“盛裝”起來，這樣，受控核聚變反應使原子核能轉變成了電能，而這種電能將是廉價的又是乾淨的，在地球上就會方便地建造起一座座“模仿太陽的工廠”，人類將最終解決能源問題。

用金屬氫輸電，可以取消大型的變電站而輸電效率在99%以上，可使全世界的發電量增加四分之一以上。如果用金屬氫製造發電機，其重量不到普通發電機重量的10%，而輸出功率可以提高几十倍乃至上百倍。

金屬氫還具有重大的軍用價值。火箭是用液氫作燃料，因此必須把火箭做成一個很大的熱水瓶似的容器，以便確保低温。如果使用了金屬氫，火箭就可以製造得靈巧，小型。金屬氫應用於航空技術，就可以極大地增大時速，甚至可以超過音速許多倍。由於相同質量的金屬氫的體積只是液態氫的1/7，因此，由它組成的燃料電池，可以較容易地應用於汽車，那時，城市就不再像現在這樣喧譁、污染而變得十分清潔、安靜。

金屬氫內儲藏着巨大的能量，比普通TNT炸藥大30─40倍。伴隨着金屬氫的誕生必將會產生許多新式武器。

在大多數普通化合物中，例如在我們周圍，看得見的海洋裏和土壤裏的那些化合物分子是由原子所構成的，這些原子由於共同享有電子而緊密地保持在一起。這裏的每一電子都緊緊地被束縛在某一個原子或另一個原子上。當出現這種情況時，物質就表現出非金屬性質。

根據這種準則，氫是一種非金屬。普通的氫分子是由兩個氫原子構成的。每個氫原子只有一個電子，構成一個分子的兩個氫原子平均共享那兩個電子。沒有剩下的電子。

當一些電子不是牢固地受到束縛時會發生什麼情況呢？例如，我們看一看元素鉀吧。每個鉀原子都有19個電子，它們排列在4個殼層中，只有最外面殼層中的電子可供共享。在鉀原子的情況下，這就意味着它僅僅有一個電子可以為相鄰原子所共享。再則，這個最外面的電子被控制得特別松，因為在它和吸引它的中心原子核之間有另一些電子殼層，這些中間殼層把最外面的電子同中心引力隔開了。

在固體鉀中，原子緊密地結合在一起，就象我們有時在水果店裏看到的蘋果堆成角錐形那樣。每個鉀原子有8個相鄰原子。由於最外面的電子被控制得很鬆，而且許多相鄰原子又如此靠近，因而任何一個最外面的電子都易於從一個相鄰原子滑到另一個相鄰原子。

可是，正是這些松而活動的電子，使得鉀原子有可能這樣緊密地結合在一起；使鉀有可能易於導熱和導電；也就使鉀有可能變形。總之，這些松而活動的電子使鉀（和其他元素以及含有這些元素的混合物）具有金屬性。

記住，氫像鉀一樣，僅僅有一個電子可以為相鄰原子所共享。然而，還有一個不同之處。在氫的一個（僅僅是一個）電子和中心原子核之間沒有起隔離作用的電子。因此，這個電子被控制得太緊了一些，以致不能進行足夠的運動來把氫轉變為金屬，或者迫使氫原子緊密地結合在一起。

2017年1月26日，艾薩克·席維拉團隊在《科學》雜誌上撰文稱，他們將氫氣樣本冷卻到了略高於絕對零度的温度，在比地球中心還高的極高壓下，用金剛石對固體氫進行壓縮，成功獲得了一小塊金屬氫，這塊金屬氫樣本被保存在兩塊微小的金剛石之間。

艾薩克在哈佛大學發佈的新聞公告中説：“製備金屬氫是高壓物理學的聖盃，這是地球上首個金屬氫樣本。”

2017年2月22日，當艾薩克·席維拉團隊嘗試用低功率激光器測量壓力時，聽到了微弱的“咔嗒聲”，表明其中一塊金剛石已碎成微塵。這一災難性的失敗使樣本消失了。他們認為，金屬氫可能消失在位於兩個金剛石之間、被用來裝金屬氫的金屬“襯墊”內；也可能因為不穩定，在常温常壓下變成了氣體。但也有科學家稱，金屬氫可能根本就沒有研製出來。

艾薩克表示，通過顯微鏡觀察，氫樣本閃閃發亮，且會以金屬氫應有的方式反射光線，這意味着他們製備出了金屬氫。但有科學家認為，他們觀察到的閃亮金屬到底是不是氫還遠不清楚；另有人指出，這種閃亮的金屬可能是氧化鋁，因為金剛石上鍍了一層氧化鋁，氧化鋁在高壓下也可能出現不同的表現。為了讓眾人信服，艾薩克必須使用同樣的方法重複實驗。 ^[3]