气体变金属，金属氢是如何被创造出来的？

科学家正在创造一种特殊形式的物质，它是太阳系中巨型行星和太阳的重要组成元素。《科学》杂志1月26日的消息:经过近一个世纪，科学家们终于成功地将以前的理论变成了现实——他们创造了地球上最稀有、最有价值的材料:金属氢。

80年前提出的理论假说

氢是宇宙中最丰富的元素。它由最简单的元素组成。一般认为，氢是一种气体——至少在典型的温度和压力下，氢在地球上以气态存在。在19世纪末，氢被认为是一种不能液化的“永久气体”。1898年，詹姆斯·杜瓦瓶首次用巧妙的热力学设计制造出了液化氢的杜瓦瓶。1899年，杜瓦瓶首次制造出固体氢。

在接下来的十年里，工业上大量生产液态氢。在20世纪30年代，E . P .威格纳和其他人预测氢在25GPa时会表现出金属性质。据信，在元素周期表的第一个位置上的氢元素将在足够的外部压力下破坏其分子键，形成新的金属原子状态，其超导性可能超过室温。

80年前提出的一个理论假设是，金属原子态氢的生成速率为25千兆帕。然而，随后的实验表明，所需的压力远远高于此。20世纪60年代，人们通过高压制备“金属碘”，然后黑磷等的发现也逐渐证实了这一观点。渐渐地，元素物质如硫被高压所征服。40多年来，世界各地的研究人员一直在努力创造金属氢，这是物理学中最活跃的研究，可以被称为物理学中的圣杯。

压力条件高于地球中心。

1989年，卡内基研究所的霍古亚·梅奥博士和其他人制造了一种新的固体氢元素物质，这种物质在-196℃和250万个大气压的极低温度下第一次变成黑色超细粒子。

2016年，爱丁堡大学的物理学家用一对钻石挤压氢分子来获得高压，并分析它们的行为。他们发现，当压力等于地球大气压力的325万倍时，氢进入固态，并被命名为“状态5”。这时，氢开始显示出一些有趣而不寻常的特性。它的分子开始分裂成单个原子，原子中的电子显示出金属特征。该团队声称，他们发现的状态只是分子分离的开始，需要更高的压力才能在理论预测的纯原子和金属状态下产生氢。

哈佛团队发现的金属氢是由自然科学系的伊萨克·席尔瓦·拉教授和他的博士后研究员兰加·迪亚兹共同完成的。他们将一个微小的固体氢样本置于495千兆帕斯卡的高压下，这甚至高于地球中心的压力。在这种极端的外部压力下，分子氢的化学键将被打开，最终形成以氢原子为最小单位的结晶氢，即具有金属性质的金属氢。

氢气很难压缩，因为它很轻，很容易从容器中泄漏出来。同时，它具有很强的化学活性，容易与其他物质反应。为了满足创造这种新材料的苛刻条件，席尔瓦和迪亚兹选择了两颗经过精心打磨的人造钻石。这两颗钻石在使用前经过特殊处理，使其更加坚固。随后，将两块钻石彼此相对地安装在钻石砧座上。

席尔瓦说，“我们用金刚石粉抛光了钻石的表面，但它可能会破坏钻石表面的结构并剥离碳原子。当我们用原子力显微镜观察金刚石表面时，我们发现了一些缺陷。这些缺陷可能会削弱材料的强度，并可能导致材料断裂。”

为了解决这个问题，他们用反应离子蚀刻法从钻石表面刮下一层只有5微米厚的微小薄层——厚度只有人类头发直径的十分之一。随后，他们在金刚石表面涂上一层薄薄的氧化铝，以防止氢扩散到金刚石晶体结构中，造成材料脆化。

经过40多年的努力工作，席尔瓦坦率地说，他第一次亲眼目睹了这些材料，非常激动。这一天，自理论上首次提出金属氢以来，已经过去了将近一个世纪。

清洁高能高能物质

作为一种预测物质，氢原子在高压下表现出金属电键。金属氢作为一种高能含能物质，在高能炸药、火箭燃料和高温超导体领域具有广阔的应用前景。

金属氢的高能密度对航空航天工业具有重要意义。目前的火箭使用液态氢作为燃料，所以火箭必须做成一个大的热水瓶状的容器，以确保低温。理论上，以金属氢为燃料的火箭发动机的比冲可以达到1700秒，远远超过目前450秒的先进水平。如果使用金属氢，火箭可以变得小巧。金属氢在航空技术中的应用可以大大提高声速，甚至比声速高许多倍。由于相同质量的金属氢的体积仅为液态氢的1/7，因此由它组成的燃料电池可以容易地应用于汽车。

金属氢作为一种超高能物质，其能量密度为218千焦/克，是梯恩梯炸药的50倍左右，是综合性能最好的奥托金HMX炸药的40倍左右。当然，作为负氧系数为100%的材料，金属氢在爆炸中需要外部氧化剂的完全供应。它的爆炸条件太苛刻，很难应用于特定的炸药。换句话说，即使金属氢的生产真的成功，也很难成为“无污染的核弹”。

就超导材料而言，理论上金属氢可以在160K(-113)的温度下超导。15℃)，甚至290k(16。这极有可能成为一种实用的常温非电阻丝材料，引发电力传输的革命性变化，使磁悬浮或高速列车成为现实。同时，它还可以用来制造效率更高的电动汽车，提高电气设备的性能。到那时，汽车造成的污染将大大减少。

金属氢也是一种亚稳态物质。它可以用来制造限制等离子体和“包含”热电离气体的“磁笼”。通过这种方式，受控核聚变反应可以将原子核转化为电能，这既便宜又清洁。“模仿太阳”的植物将被方便地建造在地球上。人类最终会解决能源问题。

在行星科学家看来，像木星这样的气体巨行星内部也有极高的压力，所以它们的内部可能是由类似固体氢的物质组成的。因此，通过人工制造超高压来压缩氢也能帮助科学家理解气体巨擘的内部结构。