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人类梦寐以求的金属氢,还要再等90年?

2021-09-16 08:17:18 文汇报

金属氢作为未来的一种高密度、高储能材料,一直是人类梦寐以求的能量物质。90多年来,人们一直在试图制造出以金属形态存在的氢气,并为此付出不懈努力,但稳定的金属氢样品始终没能得到。

从理论上来看,在超高压下得到金属氢是可能的。一旦梦想成真,将给世界科技带来革命性变化。不过,要真正得到金属氢样品,还有待科学家们进一步研究。

最诱人性能 传说具有室温超导能力

早在1935年,英国物理学家就预言,在一定的高压下,任何绝缘体都能变成导电的金属,不同材料转变成导电金属所需的压力不同。

金属氢指的是液态或固态氢在超高压下变成的导电体,由于导电是金属的特性,故称为“金属氢”。成功产生金属氢,不仅意味着人类找到了一种全新的高密度、高储能材料,而且可能会使科学技术发生革命性变化。

这一发现的意义如此巨大,以至于世界上多个研究小组都曾宣称自己成功获得了金属氢,但他们的竞争对手却又对此表示高度怀疑。

这种普通元素的“金属版”为何如此受重视?金属氢研究的倡导者列举了一些例子。比如,金属氢转化为氢分子时,会释放出大量热能,它可能成为一种突破性的火箭燃料。又如,据说像木星这样的气体巨星的核心就是由金属氢这类物质组成的,因此有行星科学家认为,如果我们能在实验室里成功制造出金属氢,也许就能更好地了解这些行星是如何形成的。不过,金属氢最吸引人的性能是传说中的室温超导能力——它允许电流在不损失任何能量的情况下流动。

澳大利亚的海伦·梅纳德·凯斯利说,基于所有这些原因,一项实验如果成功产生了金属氢,那将是轰动科学界的大事件,“我想金属氢的研究者都希望能获得诺贝尔奖”。

把氢压成金属 承受比地核更高压力

尽管潜力诱人,但要制造出金属氢,其过程艰难而曲折。

先说说氢的独特特性。氢是宇宙中最丰富的元素,但同时也是宇宙中最简单的元素。由一个单电子组成的氢,与锂、钠、钾这类碱性金属一同位于元素周期表的第一列,锂、钠、钾这三种元素都以固体形式存在于地球上,且能够导电。而氢通常以气体形式存在,要想把它变成一种金属,必须让每个氢原子核都紧密地结合在一起,使它们的电子变得“不受位置限制”,也就是说,让它们可以在原子周围自由移动,从而产生导电能力。

最早认识到这种转变可能性的是物理学家尤金·维格纳和希尔拉德·贝尔·亨廷顿,他们早在1935年就作出预测,要让氢像它在元素周期表中的邻居表现得一样,关键是压力——超大的压力。

在极大的压力下,氢分子间的距离将变得很近很近,迫使本来围绕原子核运动的电子变成穿梭在整个高压态氢块中的自由电子。这样的氢块将表现出金属的性质——固态、坚硬、有颜色和具有导电性,这种氢结构被称为“金属氢”。

要做到这一点,需要近400千兆帕斯卡(GPa)的压力,即大气压的400万倍,相当于一枚小小针头上要承受一架大型喷气式飞机的重量。至少在实验室里实现这样大的压力是很有挑战性的。“事实上,施加超过100GPa的压力,就很少人能够做到。”凯斯利说。

科学家正在为制造金属氢需要的超大压力付出不懈努力。最早接近这个压力的时间是1998年。一个由美国纽约康奈尔大学和马里兰大学的工程师组成的团队,在被称为“金刚石铁砧”的材料上为氢样品施压。

“金刚石铁砧”实际上是一对超锐利的金刚石,它的尖端十分细小,大约只有头发丝直径的四分之一。虽然很小,但研究人员可在这些尖端之间捕获一些氢分子。接下来,他们设法将两个金刚石铁砧推挤到一起,挤压它们中间的这些氢分子。最终,在弄坏了15对金刚石铁砧后,研究人员终于设法将尖头之间的压力调至342GPa——这个数值已接近地核内部。从理论上来说,这个压力应该足以让氢金属化,但氢分子仍然无动于衷。

四年后,法国原子能委员会(CEA)的保罗·劳拜尔领导的研究小组认为,这样的结果本在意料之中。估算氢产生金属性的压力值,是根据氢原子中可利用电子的两种截然不同能态之间的“间隙”来进行测量的——压力增加,间隙会缩小,从而改变电子吸收光或发射光的方式。在间隙即将闭合、材料变成金属之前,氢的电子会吸收光,但不发射光,这就导致材料变得越来越不透明。然而,一旦间隙完全闭合,电子能够以自由运动的导电体的形式存在时,它们将重新发射吸收的光能,使材料具有高度的反射性。

根据观察推断,劳拜尔和同事们认为,让氢转变为金属态需要大约450GPa的压力。

金属氢样品 争议中诞生又“不小心”丢失

又过了13年时间,产生金属氢的目标终于达到了。事实上,最终压力已达495GPa,研究人员也目睹了氢获得金属性的过程。至少,美国哈佛大学两位研究人员迪亚斯和伊萨克·西维拉,于2017年在《科学》杂志上发表的一篇同行评议论文中是如此宣称的。在美国哈佛大学发布的一份新闻稿中,西维拉将这项成果称为“高压物理学的圣杯”。

但劳拜尔并不认可这样的说法。他在接受《自然》杂志采访时表示,“这篇论文根本没有说服力”。这是因为论文所谓获得的金属性,只是基于对氢的反射率的测量结果:在495GPa时,它变得发亮了。但还可能存在其他原因,比如金刚石尖端上氧化铝涂层在巨大的压力下,也有可能会改变氢的反射性。

而且,压力读数是根据金刚石在高压下的振动方式推断出来的,而非直接测量得到的,因此声称所获得的压力未能说服其他研究人员,劳拜尔认为压力可能不超过350GPa。

位于德国美因茨的马普化学研究所的米哈伊尔·埃雷梅茨也在尝试制造金属氢。他和同事亚历山大·德罗兹多夫表示,哈佛研究者所发表的数据中还找不到令人信服的金属氢证据,“除了引用来自钻石表面涂层反射率变化来表明可能性外,压力测量也模糊不清,并不明确”。

显然,现在需要做的是:重复实验。但说起来容易做起来难,因为这种实验是自毁式的。

迪亚斯和西维拉一直对氢样品的脆弱性很担心,这也是为什么他们限制测量数量和范围的原因。更重要的是,在公布了他们具有里程碑意义的成果,准备进一步研究时,他们发现样品消失不见了。

时隔两年之后,他们仍然不知道它发生了什么,金属氢的碎片——如果真的已转变为金属氢的话——只有10微米厚,可能是从两个金刚石砧的夹持下滑出,滑到仪器底部丢失了,或者也有可能是蒸发了。但他们仍然坚称“非常有信心,我们观察到了金属氢的存在”。

争论中前行 金属氢发现之门终将被打开

科学家之间的这场争论也为最终发现金属氢打开了大门。

2019年6月,劳拜尔在一篇题为“接近425GPa时向金属氢转变的一级相变观测结果”的论文中提出了他们的看法。这篇论文是他和在CEA的同事弗洛朗·奥塞利,以及法国同步加速器SOLEIL研究机构的保罗·杜玛斯共同撰写的。

“我们展示了在接近425GPa的压力条件下,一个从绝缘体分子固态氢到金属氢的相变。”他们认为,之所以能够达到这个压力,是因为奥塞利帮助开发了一种新的金刚石铁砧。

埃雷梅茨认为,这些观察结果很有趣,但远不是结论性的。迪亚斯指出,为了证明金属态的存在,这两件事中至少有一件要得到证明:一是证明当温度接近绝对零度时,电导率仍是限定的;二是证明材料的反射率随着波长的增加而增加——但他认为这两点都还没有显示出来。

迪亚斯还指出,许多观察结果,实际上其他研究团队以前已经看到过了。埃雷梅茨也说,这些“新”的结果中有很多都是以前报道过的,其中一些就是由他的研究团队报告的。

对于梅纳德·凯斯利这样的外部观察家来说,获得确切答案的唯一途径,就是等待他们的论文发表在同行评议的期刊上。“作为一名科学家,我不得不尊重同行评议的意见。”她说。

我们如何看待这些实验和争议呢?我们是否还要为未来的终极能源再等上90年?也许不会。迪亚斯和西维拉声称,他们重复了之前的实验,并观察到了同样的结果。“大约一年前,我们在高压下复制了一个样本,但由于技术原因,我们无法测量压力,所以我们没有发表。”西维拉说。

迪亚斯后来调到了美国罗切斯特大学,“我正在建造一个新的实验室,一个具备制造金属氢能力的实验室。我相信我们能够复制这项研究”。

科学家们不会被动等待,越来越多的人在为此而努力,虽然有可能同时会有三四个人在重复对方的工作,而且每个人都会声称自己是第一个。美国拉斯维加斯内华达大学研究高压系统的阿什坎·萨拉马特说:“开发金属氢是我们的共同目标。尽管我们不知道它会是液态还是固态,或者是室温超导体,我们现在需要做的就是共同努力来回答这些问题。” (方陵生/编译)




责任编辑: 李颖

标签: 金属氢 高储能材料

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