2017年初，哈佛大學(xué)研究人員在《科學(xué)》上發(fā)文稱，在高壓低溫下發(fā)現(xiàn)了金屬氫，一時(shí)轟動科學(xué)界。如果這屬事實(shí)，那么他們毫無疑問將獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

金屬氫是一種傳說中的物質(zhì)。元素有金屬與非金屬的差別，金屬一般具有導(dǎo)電性，卻具有金屬光澤，基本在常溫下為固體（只有汞為液體）；非金屬，則一般為絕緣體，只有極少數(shù)屬于導(dǎo)體（如碳）和半導(dǎo)體（硅）。

但按照粒子的構(gòu)成，元素之間是能夠在壓力之下進(jìn)行轉(zhuǎn)換的，也就是說，金屬可以變非金屬，非金屬也可以變成金屬。如在大約20年前，分子氧已經(jīng)被證明在大約100萬倍大氣壓下變成了一種金屬。

那接下來的問題就來了，氫，這種非金屬，能變成金屬嗎？

80年前，科學(xué)家們就做出了這樣的結(jié)論，但直到今天，我們還沒有親眼見到過金屬氫。按照科學(xué)家們的論斷，在太陽等恒星，以及行星內(nèi)核，都有金屬氫的存在。

理論應(yīng)該是正確的，那么怎么才能把氫變成金屬氫呢？

首先是極高的壓力，大約相當(dāng)于488萬個(gè)大氣壓，然后還需要-200°上的低溫，才能得到金屬氫。哈佛大學(xué)正是在這一溫度下宣布制成了金屬氫的。

樣品鏡下圖（205Gpa還是透明的液態(tài)氫，415Gpa不透明固態(tài)氫，495Gpa變成金屬）

這是一個(gè)很神奇的過程，氫原子在高壓之下排列越來越緊密，越來越緊密，最終它們肩并肩地占到了一起，最終也從透明變成了不透明。

金屬氫如果一旦能夠制備，那人類的材料史將會向前邁進(jìn)超級一大步。

金屬氫是一種類似金剛石（鉆石），具有亞穩(wěn)態(tài)的特性，即一旦形成，就不會再變回氣體氫。而金屬氫因?yàn)闆]有電阻，所以人類可以用它來實(shí)現(xiàn)夢寐以求的0損耗輸電。

同時(shí)，以為金屬氫里含有超級大的能量（形成過程耗費(fèi)極大能量），所以它將是人類能源史的一次革命。火箭飛天如果用金屬氫，那去個(gè)火星將不再困難。

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2017年1月26日，美國研究人員宣布可能最終能夠產(chǎn)生金屬氫，這是一種復(fù)雜而難以捉摸的狀態(tài)，金屬氫最早是在80多年前理論化的。

美國哈佛大學(xué)的蘭加·迪亞斯博士和艾薩克·西爾維拉教授成功地將氫氣冷卻到-268℃，同時(shí)將其壓縮到令人震驚的480萬個(gè)大氣壓。

難以置信的高壓是通過使用鉆石砧座實(shí)現(xiàn)的。但這不是一個(gè)簡單的方法。多年來，科學(xué)家們一直試圖應(yīng)對這種壓力，直到現(xiàn)在科學(xué)家們才做到正確的設(shè)置。

金屬氫以前從未制造過，因?yàn)殂@石在達(dá)到足夠高的壓力之前就已經(jīng)失效了，科學(xué)家不使用天然鉆石，而是使用非常均勻的合成鉆石，天然鉆石具有不均勻性、內(nèi)部缺陷和雜質(zhì)。

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫是一種分子氣體，其原子成對結(jié)合，每個(gè)原子與另一個(gè)原子共享一個(gè)電子。當(dāng)氫被放在鉆石砧座之間時(shí)，壓力增加。

在320萬大氣壓的壓力下，氫氣變得不透明(因此得名黑色氫)并且也是半導(dǎo)體。但是只有更高的壓力才能破壞分子鍵并產(chǎn)生金屬氫相。這種氣體似乎變成了金屬，具有金屬原子所具有的預(yù)期特性。科學(xué)家認(rèn)為金屬氫是固體，但無法通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)這一點(diǎn)。

確認(rèn)該實(shí)驗(yàn)是否可重復(fù)非常關(guān)鍵。雖然美國科學(xué)家非常自信，但其他人對此表示懷疑。

氫的這一特殊階段最早是在1935年由魏格納和亨廷頓預(yù)測出來的，從那時(shí)起，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)就成了“高壓物理學(xué)的圣杯”。但是維格納和亨廷頓對必要壓力的估計(jì)是錯(cuò)誤的。他們認(rèn)為金屬氫可以在250000個(gè)大氣壓的壓力下獲得，幾乎比哈佛研究人員聲稱的要小20倍。

為了科學(xué)，創(chuàng)造金屬氫的能力不僅僅是科學(xué)的勝利。理解宇宙中最豐富元素的金屬性質(zhì)具有多學(xué)科影響。

金屬氫被認(rèn)為在壓力消除后在室溫下是亞穩(wěn)定的，因此可以用于核聚變。它也被認(rèn)為是高溫超導(dǎo)體，如果得到證實(shí)，這將是一個(gè)超級性的突破。甚至天文學(xué)也可能從這一發(fā)現(xiàn)中受益——木星、土星和系外行星的核心可能由金屬氫構(gòu)成。

金屬氫氫元素的一種存在狀態(tài)，但不要認(rèn)為金屬氫是固體的，其實(shí)大部分情況下，金屬氫都是液體（想想水銀）。

為什么叫“金屬”？

金屬氫之所以被稱為“金屬”，是因?yàn)闅湓拥奈ㄒ浑娮邮沟盟梢员憩F(xiàn)得就像金屬一樣可以導(dǎo)電（想想IA族其他金屬元素如鋰、鈉、鉀等性質(zhì)有一定的相似性質(zhì)），但不同的是金屬氫是一種超流體，具有超導(dǎo)性質(zhì)（沒電阻）。

在高壓和高溫下，金屬氫才可以液體而非固體形式存在，科學(xué)家們認(rèn)為，木星、土星和一些大型的氣態(tài)行星因?yàn)閮?nèi)部重力形成的高壓就會在其大氣層下深處形成大量的金屬氫。

上圖：從透明的氫氣轉(zhuǎn)變?yōu)橛稍泳o密結(jié)合成的金屬氫。只有鉆石可以耐受這個(gè)壓力強(qiáng)度。

金屬氫人工制造出來了嗎？

• 1996年，沖擊波壓縮實(shí)驗(yàn)偶然制造出金屬氫
  

1996年3月，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的一組科學(xué)家報(bào)告說，他們偶然地首次制造出了金屬氫，在數(shù)千開爾文的高溫下壓力大約為1 微秒，壓力超過1,000,000個(gè)大氣壓，密度約為為0.6克 /厘米3。他們沒有想到會產(chǎn)生金屬氫，因?yàn)樗麄儾⒉恍枰趯?shí)驗(yàn)中使用金屬氫——只是個(gè)副產(chǎn)物，何況這實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行溫度已經(jīng)高于氫金屬化的理論溫度上限。之前的研究將固體氫氣放在金剛石砧內(nèi)壓縮至高達(dá)2,500,000個(gè)大氣壓都沒有檢測到金屬氫的存在。

• 2009年，Zurek等人首先通過理論預(yù)測六氫化鋰構(gòu)成的合金可以在金屬氫穩(wěn)定存在所需四分之一的壓力下形成穩(wěn)定金屬，并且推測類似的金屬氫合金，也就是說諸如XHn這種化學(xué)式（其中X是堿金屬）的金屬氫合金也應(yīng)該有類似的效果。后來在八氫化錒( AcH8)和十氫化鑭(LaH10)中證實(shí)了這一點(diǎn)，其超導(dǎo)相變溫度接近270K（零下3.15攝氏度左右），這讓人們猜測其他化合物甚至可能使得金屬氫可以在僅更低的壓力和室溫下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。
  

• 2011年，Eremets和Troyan報(bào)告在2,600,000-3,000,000個(gè)大氣壓下觀察到氫和氘的液態(tài)金屬態(tài)。但2012年，有其他研究人員質(zhì)疑了這一說法。

• 2015年，科學(xué)家在Z脈沖功率設(shè)施上使用稠密液體氘制造除了金屬氘。

• 2016年10月5日，哈佛大學(xué)的Ranga Dias和Isaac F. Silvera 發(fā)布了實(shí)驗(yàn)證據(jù)的聲明使用鉆石砧構(gòu)成的微孔單元在實(shí)驗(yàn)室中以約4,890,000個(gè)大氣壓的壓力下合成了固體金屬氫。隨著壓力的增加，研究人員親眼看到樣品從透明變暗，最后變?yōu)閹Ч鉂傻慕饘偕４私Y(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上。但這個(gè)團(tuán)隊(duì)沒有測量它們制備的金屬氫是液體還是固體，以及是否導(dǎo)電，因?yàn)樗麄兒ε逻^多的測量會在論文發(fā)布之前破壞樣本。
  這個(gè)實(shí)驗(yàn)制備了地球上唯一的金屬氫樣本，但在2017年2月，這個(gè)寶貴的全世界唯一的金屬氫樣本卻因設(shè)備事故“人間蒸發(fā)”了。

上圖：網(wǎng)絡(luò)媒體報(bào)道《世界上唯一的金屬氫樣本消失了》

哈佛大學(xué)的制備的這丁點(diǎn)金屬氫是世界上唯一穩(wěn)定保存的金屬氫樣品。這份金屬氫氣的儲存溫度約為80開爾文（-193攝氏度和-316華氏度），而用來保存樣品的兩塊鉆石之間的壓力非常高。

事故發(fā)生在2月11日，當(dāng)時(shí)該團(tuán)隊(duì)正準(zhǔn)備將這個(gè)珍貴的樣品打包并運(yùn)送到芝加哥的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行進(jìn)一步測試。原因可能是之前的一次測試導(dǎo)致鉆石產(chǎn)生了破裂（鉆石都能破裂？！OMG），從而導(dǎo)致裝置失壓，研究人員就再也沒看到原來的金屬色。

但這并不一定意味著制備的金屬氫已經(jīng)被破壞，因?yàn)闃悠泛穸葍H為1.5微米左右，鉆石微孔單元的直徑為10微米——是人類頭發(fā)直徑的五分之一（兩塊鉆石凹凸相互擠壓）， 因此這些金屬氫也可能仍然保持穩(wěn)定并聚集在某處，只是沒找到而已。但另一種可能性是，鉆石砧的壓力泄掉，氫氣就會變回氣體，這表明金屬氫在室壓下無法穩(wěn)定——這是研究預(yù)測的情況之一。

上圖：金屬氫的形成過程和原理示意。從左到右，依次從透明的分子氫到黑色的氫半導(dǎo)體再到原子化的金屬氫。

• 2019年6月，一個(gè)法國研究團(tuán)隊(duì)聲稱使用環(huán)形剖面DAC使在425吉帕的壓力下制造出了金屬氫。

為什么爭著制造金屬氫？

因?yàn)榻饘贇溆羞@些潛在的用途：

• 常溫超導(dǎo)，這個(gè)前面提到了，某種金屬氫的合金可能實(shí)現(xiàn)在常溫的超導(dǎo)特性；
  

• 一種非常好的量子液體——金屬氫可能具有量子態(tài)，而不能被認(rèn)為是通常意義上的超導(dǎo)或超流體。 但它們可能被確定為兩種新型的重疊態(tài)量子流體：超導(dǎo)超流體和金屬超流體，專家估計(jì)這兩種超流體會對外部磁場和旋轉(zhuǎn)具有非常不尋常的反應(yīng)。還有人提出，在磁場的影響下，氫可能表現(xiàn)出從超導(dǎo)性到超流性的相變，反之亦然。因而可以用磁場來操控超流體的相態(tài)。

• 高能量的火箭燃料，因?yàn)閴嚎s的氫原子之間存儲了巨大的電位勢能，而氫本身密度很小，如果能夠制備成為常溫燃料，那其化學(xué)能量密度是沒有其他任何化合物可以比擬；

上圖：以液氫冷卻的金屬氫燃料單級火箭的各種參數(shù)預(yù)估。

結(jié)語

人類在實(shí)驗(yàn)室類已經(jīng)多次成功地以不同的方式制造出了金屬氫。液氫具有非常多實(shí)用價(jià)值，我們可以期待在未來數(shù)年內(nèi)科學(xué)研究在液氫的制造方面有所突破。

從arXiv的文章來看，作者用自己新開發(fā)的環(huán)形金剛石對頂砧技術(shù)，獲得了超過400 GPa的高壓，他們發(fā)現(xiàn)在80 K的低溫和425 GPa的壓強(qiáng)下，氫通過一級相變轉(zhuǎn)變成了金屬態(tài)。不過撤掉高壓后，金屬氫又變回了非金屬態(tài)。

科研畢竟不是狼來了，這一次，的確是重大的突破。

的確是大眾喜聞樂見的“打臉”。不過，這個(gè)突破，距離實(shí)際應(yīng)用差之太遠(yuǎn)。

對于80K的低溫來說，還好辦一些。但對于425GPa的壓強(qiáng)，那就真是無可奈何了。

我們可以看一看這么一組數(shù)據(jù)：地殼深處的壓強(qiáng)為1GPa左右，地幔深處的壓強(qiáng)為150GPa，地心深處的壓強(qiáng)為370GPa。

世界最深海溝馬里亞納海溝，深度達(dá)11040.41米，大約相當(dāng)于1100個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，已經(jīng)是人類征服極限，而1GPa大約是1W個(gè)大氣壓，壓強(qiáng)是最深海溝的10倍左右。

425GPa的壓強(qiáng)，是1GPa的425倍，更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于370GPa。

當(dāng)然固體火箭的極限壓強(qiáng)是13 Mpa，大約也就是100多個(gè)大氣壓。距離425GPa壓強(qiáng)（4000000多個(gè)大氣壓），是指數(shù)級的差距。不可能存在任何材料，能夠在425GPa壓強(qiáng)下，維持在人類理想的形狀。

這就注定了，金屬氫要么只能位于大型天體內(nèi)部，或者只能存在于實(shí)驗(yàn)室。

還記得初高中化學(xué)課上背元素周期表的恐懼嗎？不僅僅要按照順序橫著背，還要按照族豎著背。其實(shí)這是有道理的，橫著按照順序背可以記住原子序數(shù)，而豎著的一族具有相似的性質(zhì)。氫所在是第一主族，還有其他鋰、鈉、鉀銣、銫、鈁，除了氫之外其他都是金屬元素。

所以在上個(gè)世紀(jì)八十年代就有學(xué)者提出通過物理手段把氫變成金屬氫說法。在2017年1月份來自哈佛大學(xué)的物理學(xué)家艾薩克·席維拉研究團(tuán)隊(duì)宣布，他們成功制造出了金屬氫，廣受關(guān)注。金屬氫具有特殊的性質(zhì)兼具金屬特性，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程輸電，效率非常高。如果真的成功量產(chǎn)金屬氫，那將是一次空前絕后的技術(shù)革命。

但后來該團(tuán)隊(duì)宣布制造的金屬氫消失了，而至此之后就再也沒過關(guān)于金屬氫的技術(shù)突破或者重要消息出來。制作金屬氫也是非常困難的，需要極端的環(huán)境，超高的壓力和超低的溫度。該團(tuán)隊(duì)制作金屬氫的方法也很特殊，首先需要兩個(gè)金剛石壓砧，相互之間的受力面積非常小，大約在50微米左右，不及一根頭發(fā)絲的直徑。

在兩個(gè)金剛石壓砧之間放上液態(tài)氫（做好密封），之后施加壓力擠壓液態(tài)氫。之后用紅外設(shè)備探測氫的反射率，金屬氫表面是非常光澤的。當(dāng)壓強(qiáng)變?yōu)?95Gpa的時(shí)候，液態(tài)氫變成了金屬氫，紅外線下觀測其具有金屬光澤。但是后來因?yàn)榻饎偸钠扑椋瑢?dǎo)致金屬氫消失。至今也沒有哪個(gè)團(tuán)隊(duì)再次制造出金屬氫。

天文學(xué)家猜測木星的核心處有著巨大的壓力，液態(tài)氫載體是的環(huán)境下形成金屬氫。

文/科學(xué)黑洞，圖片來源網(wǎng)絡(luò)侵刪。

已經(jīng)制造出來了，不但是金屬氫，還有陰極雷，在公開的資料里都有，現(xiàn)在的問題是量產(chǎn)。現(xiàn)在唯一能生產(chǎn)兩種物質(zhì)的國家是中國。

高溫高壓條件下制造出來金屬氫，木星核心就是金屬氫。很多物質(zhì)只有在高溫高壓條件下才能合成，有的物質(zhì)只有在強(qiáng)引力，強(qiáng)電磁力條件下才能存在。

氫是元素周期表的第一個(gè)元素，也是最簡單的。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，氫會變成液體，是常見的火箭燃料，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，并且不會有任何損耗，這會使電力輸送更加有效。大部分超導(dǎo)體只能在接近絕對零度時(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，如果在高壓下（比在地球表面高出25萬倍），就可能形成金屬氫。科學(xué)家為此奮斗了幾十年，但都沒有成功。

△ 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，在495GPa（千兆帕斯卡）的高壓（大約500萬個(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，他們的樣本開始發(fā)光。而這也是研究人員所宣稱的氫已經(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片來源： R. Dias and I.F. Silvera）

Silvera對媒體表示：“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，當(dāng)你看到它的時(shí)候，你看見的其實(shí)是一種世界上從未存在過的東西。”

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。（圖片來源： R. Dias and I.F. Silvera）

Loubeyre表示：“如果他們想要讓結(jié)果更具有說服力，他們必須重復(fù)測量，并且測量壓力的演化。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)心如果做更多的測試會損害或破壞他們現(xiàn)有的樣本。但是他們會在未來繼續(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)生和存儲帶來重大改革；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）

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