氫是元素周期表的第一個(gè)元素,也是最簡(jiǎn)單的。它是宇宙中含量最豐富的元素,在忽略暗物質(zhì)的情況下,它占據(jù)了總質(zhì)量的四分之三。
△ 宇宙之中遍布著氫氣,它們是恒星的終極燃料。(圖片來(lái)源:ESO/S Guisard)
正常情況下,氫是一種氣體。如果把它冷卻到零下253攝氏度,氫會(huì)變成液體,是常見(jiàn)的火箭燃料,被應(yīng)用于航天飛機(jī)的主要引擎中和其它地方。
但是,如果我們能夠想辦法把氫變成金屬的,那么它將具有更大的潛力。一些物理學(xué)家認(rèn)為金屬氫可能是一種室溫超導(dǎo)體,意味著它可以在室溫下導(dǎo)電,并且不會(huì)有任何損耗,這會(huì)使電力輸送更加有效。大部分超導(dǎo)體只能在接近絕對(duì)零度時(shí)存在,因此尋找高溫超導(dǎo)體一直是科學(xué)家的目標(biāo)。目前高溫超導(dǎo)體的最高紀(jì)錄是馬普研究所的零下70攝氏度。
1935年,Wigner和Huntington就預(yù)測(cè),如果在高壓下(比在地球表面高出25萬(wàn)倍),就可能形成金屬氫。科學(xué)家為此奮斗了幾十年,但都沒(méi)有成功。

△ P-T相圖:表示溫度和壓力之間的一種關(guān)系圖。該P(yáng)-T相圖顯示了氫轉(zhuǎn)變成金屬氫的兩種途徑。
直到現(xiàn)在。或許。在《科學(xué)》期刊新發(fā)表的論文中,哈佛大學(xué)的物理學(xué)家 Isaac Silvera 和 Ranga Dias 宣稱(chēng),在495GPa(千兆帕斯卡)的高壓(大約500萬(wàn)個(gè)大氣壓)以及零下268攝氏度的環(huán)境下,他們成功地制造出了金屬氫。
之前的相關(guān)實(shí)驗(yàn)之所以會(huì)失敗是因?yàn)椋瑢?shí)驗(yàn)所需要的金剛石在拋光處理的時(shí)候經(jīng)常會(huì)破壞金剛石表面的結(jié)構(gòu)。而 Silvera 他們將金剛石的表面涂上了一層氧化鋁涂層,以防止氫擴(kuò)散到金剛石晶體結(jié)構(gòu)中,引起材料脆化。他們將金剛石砧放進(jìn)一個(gè)稱(chēng)為低溫恒溫器的冷卻設(shè)備中,并壓縮氣體。

△ 兩顆金剛石砧壓縮氫分子,在壓力足夠高的條件下,樣本轉(zhuǎn)化為氫原子。
大約在 335GPa 的時(shí)候,氫氣會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏硎練湟呀?jīng)轉(zhuǎn)變到可以吸收光的形態(tài)。接著,到了 495GPa 的時(shí)候,他們的樣本開(kāi)始發(fā)光。而這也是研究人員所宣稱(chēng)的氫已經(jīng)變成金屬!
△ 當(dāng)壓力逐漸升高時(shí),透明氫分子(左)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏珰浒雽?dǎo)體(中),再轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘贇湓印#▓D片來(lái)源: R. Dias and I.F. Silvera)
Silvera對(duì)媒體表示:“這是高壓物理學(xué)的圣杯,是地球上第一個(gè)金屬氫樣品。也就是說(shuō),當(dāng)你看到它的時(shí)候,你看見(jiàn)的其實(shí)是一種世界上從未存在過(guò)的東西。”
所以,我們真的發(fā)現(xiàn)金屬氫了嗎?
其他的物理學(xué)家并不買(mǎi)賬。
比如同樣在嘗試制造金屬氫的物理學(xué)家 Paul Loubeyre 就告訴《自然》:“我并不認(rèn)為他們的論文具有說(shuō)服性。”
Loubeyre 和其他的懷疑者主要的反駁點(diǎn)在于,Silvera和Dias的實(shí)驗(yàn)結(jié)果只有一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn):在高壓下,只測(cè)量到一次金剛石樣本的反射性。雖然,這可能是金屬氫,但也有可能是其它的,像他們涂在金剛石表面的氧化鋁涂層。

△ T-P相圖,這是氫變成金屬的第一種途徑。(圖片來(lái)源: R. Dias and I.F. Silvera)
Loubeyre表示:“如果他們想要讓結(jié)果更具有說(shuō)服力,他們必須重復(fù)測(cè)量,并且測(cè)量壓力的演化。接著他們必須顯示,在這個(gè)壓力的范圍內(nèi),氧化鋁不會(huì)形成金屬。”
Silvera也告訴《自然》,他們只是想在進(jìn)一步驗(yàn)證之前,把他們的發(fā)現(xiàn)告訴全世界。有限的實(shí)驗(yàn)空間阻止他們繼續(xù)嘗試制造更多的金屬氫,他們也擔(dān)心如果做更多的測(cè)試會(huì)損害或破壞他們現(xiàn)有的樣本。但是他們會(huì)在未來(lái)繼續(xù)嘗試。
如果他們的金屬氫是真的,那么他們認(rèn)為金屬氫可以作為室溫超導(dǎo)體,改變運(yùn)輸系統(tǒng);還能為能量的產(chǎn)生和存儲(chǔ)帶來(lái)重大改革;也可以作為超強(qiáng)的火箭推進(jìn)劑(理論上,要比液態(tài)氫好三倍),幫助人類(lèi)更好地探索太空。
在更多的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之前,我們應(yīng)該合理地帶著一點(diǎn)懷疑去看待這次的宣布。但是,我們更希望金屬氫能夠在不久后得到驗(yàn)證,畢竟現(xiàn)在我們有了方向和信心繼續(xù)前行。
文/正恩/原理(principia1687)