金屬氫作為未來的一種高密度、高儲能材料，一直是人類夢寐以求的能量物質(zhì)。90多年來，人們一直在試圖制造出以金屬形態(tài)存在的氫氣，并為此付出不懈努力，但穩(wěn)定的金屬氫樣品始終沒能得到。
從理論上來看，在超高壓下得到金屬氫是可能的。一旦夢想成真，將給世界科技帶來革命性變化。不過，要真正得到金屬氫樣品，還有待科學(xué)家們進一步研究。
最誘人性能 傳說具有室溫超導(dǎo)能力
早在1935年，英國物理學(xué)家就預(yù)言，在一定的高壓下，任何絕緣體都能變成導(dǎo)電的金屬，不同材料轉(zhuǎn)變成導(dǎo)電金屬所需的壓力不同。
金屬氫指的是液態(tài)或固態(tài)氫在超高壓下變成的導(dǎo)電體，由于導(dǎo)電是金屬的特性，故稱為“金屬氫”。成功產(chǎn)生金屬氫，不僅意味著人類找到了一種全新的高密度、高儲能材料，而且可能會使科學(xué)技術(shù)發(fā)生革命性變化。
這一發(fā)現(xiàn)的意義如此巨大，以至于世界上多個研究小組都曾宣稱自己成功獲得了金屬氫，但他們的競爭對手卻又對此表示高度懷疑。
這種普通元素的“金屬版”為何如此受重視?金屬氫研究的倡導(dǎo)者列舉了一些例子。比如，金屬氫轉(zhuǎn)化為氫分子時，會釋放出大量熱能，它可能成為一種突破性的火箭燃料。又如，據(jù)說像木星這樣的氣體巨星的核心就是由金屬氫這類物質(zhì)組成的，因此有行星科學(xué)家認(rèn)為，如果我們能在實驗室里成功制造出金屬氫，也許就能更好地了解這些行星是如何形成的。不過，金屬氫最吸引人的性能是傳說中的室溫超導(dǎo)能力——它允許電流在不損失任何能量的情況下流動。
澳大利亞的海倫·梅納德·凱斯利說，基于所有這些原因，一項實驗如果成功產(chǎn)生了金屬氫，那將是轟動科學(xué)界的大事件，“我想金屬氫的研究者都希望能獲得諾貝爾獎”。
把氫壓成金屬 承受比地核更高壓力
盡管潛力誘人，但要制造出金屬氫，其過程艱難而曲折。
先說說氫的獨特特性。氫是宇宙中最豐富的元素，但同時也是宇宙中最簡單的元素。由一個單電子組成的氫，與鋰、鈉、鉀這類堿性金屬一同位于元素周期表的第一列，鋰、鈉、鉀這三種元素都以固體形式存在于地球上，且能夠?qū)щ?。而氫通常以氣體形式存在，要想把它變成一種金屬，必須讓每個氫原子核都緊密地結(jié)合在一起，使它們的電子變得“不受位置限制”，也就是說，讓它們可以在原子周圍自由移動，從而產(chǎn)生導(dǎo)電能力。
最早認(rèn)識到這種轉(zhuǎn)變可能性的是物理學(xué)家尤金·維格納和希爾拉德·貝爾·亨廷頓，他們早在1935年就作出預(yù)測，要讓氫像它在元素周期表中的鄰居表現(xiàn)得一樣，關(guān)鍵是壓力——超大的壓力。
在極大的壓力下，氫分子間的距離將變得很近很近，迫使本來圍繞原子核運動的電子變成穿梭在整個高壓態(tài)氫塊中的自由電子。這樣的氫塊將表現(xiàn)出金屬的性質(zhì)——固態(tài)、堅硬、有顏色和具有導(dǎo)電性，這種氫結(jié)構(gòu)被稱為“金屬氫”。
要做到這一點，需要近400千兆帕斯卡(GPa)的壓力，即大氣壓的400萬倍，相當(dāng)于一枚小小針頭上要承受一架大型噴氣式飛機的重量。至少在實驗室里實現(xiàn)這樣大的壓力是很有挑戰(zhàn)性的。“事實上，施加超過100GPa的壓力，就很少人能夠做到。”凱斯利說。
科學(xué)家正在為制造金屬氫需要的超大壓力付出不懈努力。最早接近這個壓力的時間是1998年。一個由美國紐約康奈爾大學(xué)和馬里蘭大學(xué)的工程師組成的團隊，在被稱為“金剛石鐵砧”的材料上為氫樣品施壓。
“金剛石鐵砧”實際上是一對超銳利的金剛石，它的尖端十分細(xì)小，大約只有頭發(fā)絲直徑的四分之一。雖然很小，但研究人員可在這些尖端之間捕獲一些氫分子。接下來，他們設(shè)法將兩個金剛石鐵砧推擠到一起，擠壓它們中間的這些氫分子。最終，在弄壞了15對金剛石鐵砧后，研究人員終于設(shè)法將尖頭之間的壓力調(diào)至342GPa——這個數(shù)值已接近地核內(nèi)部。從理論上來說，這個壓力應(yīng)該足以讓氫金屬化，但氫分子仍然無動于衷。
四年后，法國原子能委員會(CEA)的保羅·勞拜爾領(lǐng)導(dǎo)的研究小組認(rèn)為，這樣的結(jié)果本在意料之中。估算氫產(chǎn)生金屬性的壓力值，是根據(jù)氫原子中可利用電子的兩種截然不同能態(tài)之間的“間隙”來進行測量的——壓力增加，間隙會縮小，從而改變電子吸收光或發(fā)射光的方式。在間隙即將閉合、材料變成金屬之前，氫的電子會吸收光，但不發(fā)射光，這就導(dǎo)致材料變得越來越不透明。然而，一旦間隙完全閉合，電子能夠以自由運動的導(dǎo)電體的形式存在時，它們將重新發(fā)射吸收的光能，使材料具有高度的反射性。
根據(jù)觀察推斷，勞拜爾和同事們認(rèn)為，讓氫轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)需要大約450GPa的壓力。
金屬氫樣品 爭議中誕生又“不小心”丟失
又過了13年時間，產(chǎn)生金屬氫的目標(biāo)終于達(dá)到了。事實上，最終壓力已達(dá)495GPa，研究人員也目睹了氫獲得金屬性的過程。至少，美國哈佛大學(xué)兩位研究人員迪亞斯和伊薩克·西維拉，于2017年在《科學(xué)》雜志上發(fā)表的一篇同行評議論文中是如此宣稱的。在美國哈佛大學(xué)發(fā)布的一份新聞稿中，西維拉將這項成果稱為“高壓物理學(xué)的圣杯”。
但勞拜爾并不認(rèn)可這樣的說法。他在接受《自然》雜志采訪時表示，“這篇論文根本沒有說服力”。這是因為論文所謂獲得的金屬性，只是基于對氫的反射率的測量結(jié)果：在495GPa時，它變得發(fā)亮了。但還可能存在其他原因，比如金剛石尖端上氧化鋁涂層在巨大的壓力下，也有可能會改變氫的反射性。
而且，壓力讀數(shù)是根據(jù)金剛石在高壓下的振動方式推斷出來的，而非直接測量得到的，因此聲稱所獲得的壓力未能說服其他研究人員，勞拜爾認(rèn)為壓力可能不超過350GPa。
位于德國美因茨的馬普化學(xué)研究所的米哈伊爾·埃雷梅茨也在嘗試制造金屬氫。他和同事亞歷山大·德羅茲多夫表示，哈佛研究者所發(fā)表的數(shù)據(jù)中還找不到令人信服的金屬氫證據(jù)，“除了引用來自鉆石表面涂層反射率變化來表明可能性外，壓力測量也模糊不清，并不明確”。
顯然，現(xiàn)在需要做的是：重復(fù)實驗。但說起來容易做起來難，因為這種實驗是自毀式的。
迪亞斯和西維拉一直對氫樣品的脆弱性很擔(dān)心，這也是為什么他們限制測量數(shù)量和范圍的原因。更重要的是，在公布了他們具有里程碑意義的成果，準(zhǔn)備進一步研究時，他們發(fā)現(xiàn)樣品消失不見了。
時隔兩年之后，他們?nèi)匀徊恢浪l(fā)生了什么，金屬氫的碎片——如果真的已轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘贇涞脑?mdash;—只有10微米厚，可能是從兩個金剛石砧的夾持下滑出，滑到儀器底部丟失了，或者也有可能是蒸發(fā)了。但他們?nèi)匀粓苑Q“非常有信心，我們觀察到了金屬氫的存在”。
爭論中前行 金屬氫發(fā)現(xiàn)之門終將被打開
科學(xué)家之間的這場爭論也為最終發(fā)現(xiàn)金屬氫打開了大門。
2019年6月，勞拜爾在一篇題為“接近425GPa時向金屬氫轉(zhuǎn)變的一級相變觀測結(jié)果”的論文中提出了他們的看法。這篇論文是他和在CEA的同事弗洛朗·奧塞利，以及法國同步加速器SOLEIL研究機構(gòu)的保羅·杜瑪斯共同撰寫的。
“我們展示了在接近425GPa的壓力條件下，一個從絕緣體分子固態(tài)氫到金屬氫的相變。”他們認(rèn)為，之所以能夠達(dá)到這個壓力，是因為奧塞利幫助開發(fā)了一種新的金剛石鐵砧。
埃雷梅茨認(rèn)為，這些觀察結(jié)果很有趣，但遠(yuǎn)不是結(jié)論性的。迪亞斯指出，為了證明金屬態(tài)的存在，這兩件事中至少有一件要得到證明：一是證明當(dāng)溫度接近絕對零度時，電導(dǎo)率仍是限定的;二是證明材料的反射率隨著波長的增加而增加——但他認(rèn)為這兩點都還沒有顯示出來。
迪亞斯還指出，許多觀察結(jié)果，實際上其他研究團隊以前已經(jīng)看到過了。埃雷梅茨也說，這些“新”的結(jié)果中有很多都是以前報道過的，其中一些就是由他的研究團隊報告的。
對于梅納德·凱斯利這樣的外部觀察家來說，獲得確切答案的唯一途徑，就是等待他們的論文發(fā)表在同行評議的期刊上。“作為一名科學(xué)家，我不得不尊重同行評議的意見。”她說。
我們?nèi)绾慰创@些實驗和爭議呢?我們是否還要為未來的終極能源再等上90年?也許不會。迪亞斯和西維拉聲稱，他們重復(fù)了之前的實驗，并觀察到了同樣的結(jié)果。“大約一年前，我們在高壓下復(fù)制了一個樣本，但由于技術(shù)原因，我們無法測量壓力，所以我們沒有發(fā)表。”西維拉說。
迪亞斯后來調(diào)到了美國羅切斯特大學(xué)，“我正在建造一個新的實驗室，一個具備制造金屬氫能力的實驗室。我相信我們能夠復(fù)制這項研究”。
科學(xué)家們不會被動等待，越來越多的人在為此而努力，雖然有可能同時會有三四個人在重復(fù)對方的工作，而且每個人都會聲稱自己是第一個。美國拉斯維加斯內(nèi)華達(dá)大學(xué)研究高壓系統(tǒng)的阿什坎·薩拉馬特說：“開發(fā)金屬氫是我們的共同目標(biāo)。盡管我們不知道它會是液態(tài)還是固態(tài)，或者是室溫超導(dǎo)體，我們現(xiàn)在需要做的就是共同努力來回答這些問題。” (方陵生/編譯)
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