2017年1月，哈佛大學(xué)物理學(xué)家Isaac Silvera團(tuán)隊(duì)宣布，他們制造出了地球上最稀有、最珍貴的材料——金屬氫，成功將高壓物理這一領(lǐng)域帶入了人們的視野。
為什么我們?nèi)绱速M(fèi)盡心血地來研制金屬氫呢？因?yàn)橐坏┙饘贇鋯柺溃腿缤?dāng)年蒸汽機(jī)的誕生一樣，將會引起整個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域一場劃時代的革命。金屬氫是一種亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)，可以用它來做成約束等離子體的“磁籠”，把熾熱的電離氣體“盛裝”起來，這樣，受控核聚變反應(yīng)使原子核能轉(zhuǎn)變成了電能，而這種電能將是廉價而又干凈的，我們就能方便地建造起一座座“模仿太陽的工廠”，人類將最終解決能源問題。用金屬氫輸電，可以取代大型的變電站而輸電效率超過99%，從而使全世界的發(fā)電量增加四分之一以上。如果用金屬氫制造發(fā)電機(jī)，其重量不到普通發(fā)電機(jī)重量的10%，而輸出功率可以提高幾十倍乃至上百倍。
然而2月22日，英媒報道，由于操作失誤，這塊唯一的金屬氫消失了。
什么是金屬氫？明明是可以讓氣球飄起來的氣體怎么就變成金屬了呢？
氫，作為元素周期表的第一個元素，隸屬于第一主族，第一主族都是堿金屬元素，唯獨(dú)氫顯得格格不入。那什么是金屬呢？當(dāng)金屬表面光滑時，它們反射光的效率很高(反射率高)，因此它們具有“金屬光澤”；但非金屬卻沒有很高的反射能力，因而具有“無光澤的顏色”。這也是之后判斷氫是否金屬化的標(biāo)志。
在大多數(shù)普通化合物中，原子由于共同享有電子而緊密地保持在一起。當(dāng)電子都被緊緊地束縛在某一個原子上時，物質(zhì)就表現(xiàn)出非金屬性質(zhì)。根據(jù)這種準(zhǔn)則，氫是一種非金屬。普通的氫分子是由兩個氫原子構(gòu)成的。每個氫原子只有一個電子，構(gòu)成一個分子的兩個氫原子共享那兩個電子，也就是沒有多余的自由電子。
而早在80年前，Wigner和Huntington就提出，在極端的物理?xiàng)l件下，氫會轉(zhuǎn)變成一個氫原子分配一個電子，且電子可以自由移動的金屬狀態(tài)，類似堿金屬。
怎樣才能實(shí)現(xiàn)這種狀態(tài)呢？既然常規(guī)方法已被證明行不通，科學(xué)家們決用“暴力”解決。他們對氫施加極大的外力，破壞原有的分子結(jié)構(gòu)，改造成金屬的結(jié)構(gòu)。假定有足夠的壓力把氫原子非常緊密地?cái)D在一起，以致各個原子都被8個、10個甚至12個近鄰原子所包圍。于是，每個氫原子的單個電子，不管原子核有異常強(qiáng)的吸引力，就可能開始從一個相鄰原子滑到另一個相鄰原子。這樣你就會得到“金屬氫”。
要實(shí)現(xiàn)以上的假設(shè)氫原子必須處在巨大的壓力(500Gpa，大約5000000個大氣壓)下，在太陽系中最接近于滿足這個條件的地方是在木星的中心，因此有些人認(rèn)為，木星的內(nèi)部也許是由金屬氫所構(gòu)成的。在地球上如何實(shí)現(xiàn)這么大的壓力大呢？科學(xué)家發(fā)明了一種金剛石壓砧(Diamond Anvil Cell，簡稱DAC)的方法。當(dāng)能施加的壓力達(dá)到極限時，通過減小受力面積可以獲取更高壓力。
哈佛的學(xué)者們就是運(yùn)用這一方法，在-268攝氏度下將極少量液態(tài)氫放在金剛石的砧面(就是鉆石的尖端，直徑50微米)，將兩個鉆石合攏，施加外力，從而達(dá)到極高的壓力。在壓強(qiáng)不斷升高的同時，用紅外光測量氫的反射率，以判斷它是否金屬化。當(dāng)壓力達(dá)到495Gpa時,他們驚喜的發(fā)現(xiàn)原本黑色的固態(tài)氫逐漸變得有金屬光澤，反射率也達(dá)到了0.91，其他的參數(shù)如等離子體頻率，電子密度也都符合金屬的特性。就這樣第一塊金屬氫就制備成功了~
正當(dāng)哈佛的學(xué)者們準(zhǔn)備嘚瑟時候，悲劇發(fā)生了。2017年2月22日，也就是論文在Science上發(fā)表的一個月后，當(dāng)Isaac團(tuán)隊(duì)嘗試用低功率激光器測量壓力時，聽到了輕微的“咔嗒聲”，表明其中一塊金剛石已碎成塵埃。鉆石恒久遠(yuǎn)，一顆永流傳”的神話在495Gpa的極高壓力下，也是顯得弱不經(jīng)風(fēng)。Isaac說“我的心沉到了低谷”，這一災(zāi)難性的失敗使樣本消失了。
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