2017初至,在科技界爆出一个革命性的科学新闻报道:人类首次合成了金属氢[1]。几代科研工作者努力了八十多年,终于在哈佛大学的实验室中实现夙愿。新闻报道用了“革命性”“里程碑”“圣杯”等词汇来形容这一成果,但紧接着又爆发出质疑的声音。抛开争议,金属氢到底是什么?它是怎么被制造出来的,又有什么用?
撰文 高子睿(大连理工大学化工与环境生命学部)
审校 刘晓迪(中国科学院固体物理研究所)
编辑 韩琨 丁家琦
早在1935年,理论物理学家Wigner和Huntington就预言了金属氢的存在[2],激发了人类跨越世纪的探索。之前已经有不少科学家、课题组宣布他们合成了金属氢,随即又被证明无效。如此神奇的金属氢,之前地球上是不存在的。据说,木星核心由于巨大的压力和低温条件,有可能存在金属氢,不过这离我们太过遥远[3]。
这次,科学家们还没兴奋几天,剧情便戏剧化地反转了。仅过了一个月,报道合成金属氢的两位科学家Isaac和Ranga表示,由于后续实验操作,加压用的金刚石对顶砧破裂,其中的金属氢或已灰飞烟灭。随即,便有更多科学家发声,质疑金属氢存在的真实性,双方就此争论不休。
要解决争论,进一步的实验是必要的,我们不妨拭目以待。不过,金属氢到底是什么?它和我们有关吗?我们能用它做什么?
氢
小时候,我们就知道把一种“轻气”充进气球里,气球就能飞起来,长大了才知道这种“轻气”是“氢气”——最轻的气体,而且它具有最简单的结构。
图1. 氢分子示意图,大圆圈表示原子核,小圆圈表示电子,连线只表示联系(注:本图为漫画性的表达,制图:陈曦)
“氢”的应用范围十分广泛。人们熟悉的磁共振成像技术,最早是科学家在对氢原子的研究中发展产生的。氢燃烧之后只生成水,热值高且环保,在能源方面有广泛利用,如氢能源汽车、火箭燃料等。神秘的量子力学也离不开氢的参与——当年,正是玻尔将轨道系在了只有一个质子的氢原子核的腰间,才开启了奇幻的量子世界的大门。
总之,氢的神奇正如《氢的传奇》中美国作家约翰·里格登所说:“也许正是因为氢原子的这种简单,使科学家们得以解开自然界中的一些谜团。这个渺小的原子不断给那些最出色也最自信的科学家们带来惊奇,同时也不断为我们了解自然做出贡献。[4]
金属
说到金属,我们一定不会觉得陌生,但是要给金属下一个简单的定义,却并不容易。它有一些常见性质,比如通常有光泽,通常有良好的导电性等,但我们不能仅由性质来下定义。在此,我们不妨用金属键理论——金属中原子之间的作用力来定义。
图2. 金属原子示意图(制图:陈曦)
金属中的原子一个个规则地排列着,而原先他们的“私有财产”——原子核外的一部分电子则被整个大家庭共享,称为自由电子。这些自由电子像是脱离了家长管束的小孩子,和小伙伴们自由地在原子的空隙中间跑来跑去,于是,电场下自由电子的定向移动解释了金属的导电性。
图3. 金属导电性示意图(制图:陈曦)
金属氢
金属和氢的结合过程,看起来非常具有戏剧性。自然界造化万千,多样性体现在不同层次上,仅从化学的角度看,至今人类发现了构成物质世界的一百多种元素,各种元素的不同组合,体现在宏观物质世界上,就构成了无数的化合物和单质。哪怕一种确定的物质,也存在不同的状态。众所周知,水会变成固态的冰,也会变成气态的水蒸气。那么,氢气也应该有气态、液态和固态。我们知道,除了汞,金属在常温下都是固态的,那是不是说氢在极低的温度下(-259.2℃)凝固成固态氢,就成了金属氢了?问题当然不会这么简单,我们只能说金属氢只是氢在固态下的一种。当然,这并非绝对,还存在另一种液态形式的金属氢。本次新闻报道的则是通过低温高压手段得到的金属氢。
刚才提到,金属的本质在于构成物质的原子之间的作用力是金属键,简单地说,如果把氢气分子之间的分子键转变成金属键,那么金属氢就制成了。当然,说起来简单,但人类对这一问题已经研究了八十多年。
千呼万唤始出来。下面我们就来看一下,金属氢究竟是怎么做出来的。
我们都知道,降温会使水结冰,液化气则是把可燃气体通过压缩变成液体,降温和加压是制造更稳定状态的两种手段。科学家也是这么做的。不过,想要做出金属氢,对温度和压力的要求都更为苛刻。
据报道,在哈佛的实验室中,科学家在极低的温度下,利用特殊处理的金刚石砧对固态氢施加了495GPa的压力,这个压力相当于大气压的近500万倍,而我们地球的核心压力也只有大气压的360万倍左右。显然相比于创造低温环境,产生超高压难度更大。超高压环境的创造是金属氢制备的核心步骤,也是最困难的地方。在这样的低温超高压环境下,氢变成金属氢,光泽耀眼,反射率高达0.91,产生了自由电子的金属化迹象。于是有了下面的一组照片(图4):
图4. (图片来源:参考资料[1])
此时,氢原子之间的作用力转化为金属键,每个氢核外的仅有的一个电子终于挣脱束缚,成为自由电子。这个过程相当复杂。不过,人类为什么要把飘逸自由的气体制成结构有序的金属呢?
金属氢的神奇之处
首先,金属氢具有巨大的能量。简单地说,我们在制作金属氢时赋予了巨大的能量,反过来,巨大的能量还会释放出来,利用此特点,我们可以用它来做火箭燃料。
其次,金属氢极为重要的特性在于,它可能是一种高温超导材料。
我们都知道,电的使用无处不在,但是当电流通过导线或者其他物体的时候,由于电阻,总是要交一些“过路费”,损耗部分能量。简单地说,超导材料就是在一定温度之下,材料电阻变为零、没有能量损耗的材料。然而,一般的超导材料需要降到非常低的临界温度下才能转化为超导态,实现起来极为困难。而金属氢恰好可能成为一种高温超导材料。请注意,这里的“高温”只是相对的,对于一种超导材料,临界温度能达到室温或者较室温稍低的温度,性能就已经很优异了。所以,人们才会如此渴盼或能成为高温超导材料的金属氢的诞生。
最后,我们再看一下制造金属氢实验所用的仪器(图5)。这就是“金刚石对顶砧”。尽管实验人员前期通过化学刻蚀、真空高温退火等精密操作,使金刚石对顶砧成为“钻石中的钻石”,但是由于后续试验操作失误,金刚石砧还是碎成了粉末。
图5. 金刚石对顶砧示意图(图片来源:Tobias1984/CC BY-SA 3.0)
总而言之,金属氢的前途不可限量。虽然金属氢的实现极具挑战,但目前看来只是时间问题,如何用得上、用得好,才是人类之后面对的更大挑战。
参考资料:
[1] Dias, R. & Silvera, I. F. Observation of the Wigner-Huntington transitionto metallic hydrogen[J], Science 355, 715–718 (2017)
[2] E. Wigner, H. B. Huntington. On the Possibility of a Metallic Modification of Hydrogen[J], J. Chem. Phys. 3, 764–770(1935).
[3] In Bagenal, F.; Dowling, T. E.; McKinnon, W. B. Jupiter: The Planet, Satellites andMagnetosphere[M] Cambridge University Press 03 (2007)
[4] John S. Rigden. Hydrogen: The Essential Element[M], American Journal of Physics 71, 189 (2003)
金属氢新闻报道:http://www.sciencemag.org/news/2017/01/diamond-vise-turns-hydrogen-metal-potentially-ending-80-year-quest
金属氢受质疑的报道:http://www.nature.com/news/physicists-doubt-bold-report-of-metallic-hydrogen-1.21379
作者手记:
作为一个学化学的学生,我对物理颇感兴趣,尤其对年初关于“金属氢”的科学报道,格外关注。在我看来,科普就是用尽量通俗、准确、有趣的语言讲清楚一个科学问题。知识的传递是科普文价值的体现,而且这种传递也需要责任,所以科普文的写作尤其难以拿捏。我尝试写下这篇科普小文,经过反复修改,希望能够说清“金属氢”是什么。感谢中科院固体物理研究所的刘晓迪老师为本文审校,并提出宝贵修改意见。
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