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    把氫“儲藏”在金屬里:人類夢寐以求的金屬氫,還要再等90年?

    2022-02-28  60

    金屬氫是世界上最神奇的物質之一,它能產生巨大的熱量,也是優良的室溫超導體。90多年來,科學家多次嘗試制取金屬氫,卻一直沒有取得令人信服的進展。

    元素周期表的“排頭兵”

    “氫氦鋰鈹硼,碳氮氧氟氖,……”還記得這個熟悉的口訣嗎?它是幫助我們記憶化學元素的一大利器!作為元素周期表中排在第一位的化學元素,氫是最輕的元素,也是宇宙中含量最多的元素。在地球上只存在極稀少的游離狀態的氫。

    氫氣于16世紀初被人工合成,常溫常壓下,氫氣是一種極易燃燒、無色透明、無臭無味的氣體。在制造出氫氣的400年之后,科學家又開始了將氫從非金屬轉化為金屬的探索。

    金屬是富有特殊光澤,不透明,具有良好導電性、導熱性、延展性的物質。金屬的性質與其內部結構、自由電子的存在有關,常溫下通常呈固態(除汞外)。氫在常溫下屬于非金屬。與金屬相反,非金屬沒有光澤,缺乏延展性,是電與熱的不良導體。

    當氫成為金屬形態后,可能會使科學和技術發生革命性的變化。一方面,它是一種突破性的火箭燃料,可以釋放出大量的熱量。此外,它還寄托著行星科學家的巨大希望:像木星這樣的氣體巨星的核心被認為是由金屬氫組成的。如果我們能在實驗室里成功制造出金屬氫,我們也許就能理解這些行星是如何形成的?;蛟S還有最吸引人的一點:金屬氫在室溫下具有超導能力。

    很多科學家爭先恐后地投入到制造金屬氫的競賽中,因為率先制造出金屬氫意義重大,它是一項有望獲得諾貝爾獎的重大成就。90多年來,有多個研究小組宣稱成功制造出了金屬氫,但都無法拿出讓同行們信服的可靠證據。

    什么是金屬氫

    根據理論推測,氫原子在高壓狀態下會呈現金屬電性結合的金屬氫物質,這是一種高等含能物,能量密度高達218kJ/g,是TNT炸藥(4.65kJ/g)的約50倍,是綜合性能最好的奧托金HMX炸藥(5.53kJ/g)的約40倍。因此無論在高能炸藥,火箭燃料,高溫超導體領域都有廣闊的應用前景。

    再說說我們中國人研究出來的高能材料,南京理工大學化工學院胡炳成教授團隊首次成功合成全氮陰離子鹽,看到這個名字可能大多數人都不熟悉,但是要說到科幻電影里面威力堪比核武器而沒有核污染的“N2爆彈”你可能就熟悉了,比如在電影《日本沉沒》中,日本人最后就是用這種炸彈破壞了地殼,阻止了日本列島的沉沒,由此也可想而知,它的能量都有多么巨大了。

    和金屬氫一樣,全氮陰離子在爆炸時的能量十分驚人,但相比較而言,全氮陰離子在數據上略微弱于金屬氫,但屬于同一個級別的高能材料,基本上差別不大,兩者都是具備高密度、高能量的新型含能材料,但全氮陰離子的爆轟產物更加的清潔無污染(爆炸產物為氮氣,無污染),并且穩定安全易操作特點,其制造生產和存放相比金屬氫都有無與倫比的方便性。因此科學家們認為,全氮類物質的相關研究將直接推動超高含能材料的快速進步,相關材料的研制成功有望在炸藥、發射藥和推進劑領域產生驚人的發展。

    這次中美兩國科學家同時發現不同的高能材料,雖然金屬氫的能量可能會高一點點,但是金屬氫的制造生產存放使用等方面卻有諸多的難題,因為金屬氫雖然是一種超高含能物質,但卻需要把氫氣加壓到近500萬大氣壓才能成為金屬氫,那么用什么樣的裝置才能大量地把氫氣壓縮制造成金屬氫呢?又有什么樣的裝置能裝下這種500萬大氣壓的危險物品呢!這都是極大的難題,所以金屬氫在具體的爆炸物實際應用上難度很高。所以美國科學家的此次試驗也是真正能在實驗室條件下制取金屬氫,離真正工業化還有相當長距離,可以說只不過是萬里長征邁開了第一步。

    但是我們中國人制造的全氮陰離子就不一樣了,據說制做這種高能材料所需要的原料并不昂貴,相反它們還都很便宜,這說明這種高能材料將能很快大量生產并普及應用,這一點上金屬氫是無論如何做不到的。所以雖然美國人發現并制造出了金屬氫,但是離能實際應用還有十萬八千里,而我們中國人發現的全氮陰離子相對這個容易操作的多,很可能將以極快的速度達到大量生產的目的,而且由于這種高能材料的環保性,它幾乎在社會生產的各個方面都將代替TNT等炸藥以及火箭導彈的燃料來使用。

    “難產”的金屬氫

    既然金屬氫具有誘人的前景,為何它的誕生是如此艱難呢?這一切都要從氫的性質說起。氫是結構最簡單的元素,氫原子由一個質子和繞質子運行的單電子組成。這個單電子使它和鋰、鈉、鉀等堿金屬元素排在元素周期表的第一列。三種堿金屬元素以固體形式存在于地球上,能夠導電;而氫通常以氣體的形式存在。

    要將氫變成一種金屬,必須讓它的原子緊密地結合在一起,使每個氫原子都有8~10個甚至12個近鄰原子。從而使氫原子中的電子能夠從一個原子移動到另一個相鄰的原子中,也就是說,讓電子能夠自由移動,從而產生導電性。

    1935年,物理學家尤金·維格納(1963年諾貝爾物理學獎得主)和希爾拉德·亨廷頓最先意識到氫的金屬化是有可能實現的。他們預測,要使氫表現出其堿金屬鄰居一樣的性質,必須對其施加巨大的壓力,這樣才能使氫原子中的電子從質子的束縛中掙脫出來。他們估計這種壓力要接近400吉帕,相當于大氣壓力的400萬倍。用一個形象的比喻來說明的話,相當于停在針尖上的一架巨型噴氣式飛機對針尖施加的壓力。至少在當時,在實驗室里實現這樣大的壓力是不可能的。

    追逐金屬氫的歷程

    1998年,美國康奈爾大學和馬里蘭大學的工程師團隊使用名為“金剛石對頂砧”的設備,對氫樣品進行擠壓。金剛石對頂砧由兩塊對頂放置的金剛石組成,其尖端直徑是頭發直徑的四分之一。研究人員將捕獲的氫樣品置于金剛石對頂砧中,對氫樣品進行壓縮。最終,在打碎了15個金剛石對頂砧后,研究小組設法將尖端之間的壓力提高至342吉帕,接近了地心的壓力(約為360吉帕)。理論上來講,這樣的壓力應該足以使氫金屬化,但實驗最終未能獲得成功。

    4年后,法國原子能委員會的保羅·盧貝爾領導的研究小組宣稱,基于對氫原子中電子兩種截然不同的能態之間“間隙”的測量,可以計算氫發生金屬化時所需的壓力。隨著壓力的增加,間隙縮小,從而改變電子吸收或發射光的方式。就在間隙閉合,氫變成金屬之前,氫的電子吸收光,但不發射光——這導致材料變得越來越不透明。但一旦間隙閉合,電子能夠自由運動,它們將重新發射吸收的光,使材料具有高度的反射性。根據他們的觀察推斷,制造金屬氫需要大約450吉帕的壓力。

    2017年,美國哈佛大學物理學家艾薩克·席爾瓦拉和蘭加·迪亞斯在美國的《科學》雜志上發表了一篇同行評議論文,宣稱他們制造出了世界上首塊金屬氫。他們將氫氣樣本冷卻到略高于絕對零度的溫度,在比地心壓力還高的壓力下,用金剛石對頂砧對氫氣進行壓縮,成功獲得了一小塊金屬氫。席爾瓦拉說:“制備金屬氫是高壓物理學的圣杯,這是地球上首個金屬氫樣本?!?/p>

    不過,一些科學家對這篇文章提出了質疑。席爾瓦拉獲得金屬氫的證據是基于對氫的反射率的測量:在495吉帕時,它變得發亮了。盧貝爾說,這可能是其他原因造成的,比如鉆石尖端的氧化鋁涂層改變了氫氣在壓力下的反射率。此外,論文中的壓力數據也是從校準中推斷出來的,質疑者認為壓力可能不超過350吉帕。

    當席爾瓦拉和迪亞斯公布了他們的成果,返回頭進行下一步研究時,卻發現氫金屬樣本不見了!他們一頭霧水,不清楚到底是怎么回事。金屬氫的碎片只有10微米厚,它可能是從金剛石對頂砧中滑出去了,或者可能已經蒸發了。但席爾瓦拉和迪亞斯堅稱他們觀察到了金屬氫。

    2019年6月,盧貝爾及其合作者在論文預印本網站arXiv上發表了一篇論文,宣稱在425吉帕的壓力附近觀察到了金屬氫的一級相變。論文合作者弗洛朗·奧切利開發了一種新的金剛石對頂砧裝備,其金剛石頂端是圓環形,而不是扁平的。這使得該團隊能夠突破其他金剛石對頂砧的壓力限制。此外,他們使用了法國SOLEIL同步輻射光源設計的一種新型紅外光譜儀。一旦測量到樣品達到425吉帕的壓力和-193℃的溫度,光譜儀就會向研究人員“匯報”:樣品已經開始吸收所有的紅外輻射,樣品的“間隙”即將閉合。

    當然,除了支持者外,盧貝爾的論文也遭到一些質疑。2017年聲稱制造出金屬氫的迪亞斯說,要想證明氫金屬的存在,必須滿足下面兩個條件中的一個。首先,當溫度接近絕對零度時,電導率仍然是有限的。其次,要證明材料的反射率隨著波長的增加而增加。這兩點在盧貝爾的論文中都沒有體現。

    制造金屬氫是如此的艱難,那么我們還要再等90年嗎?也許并不需要。隨著更精密的實驗設備的出現和探測手段的提高,我們終將獲得這座高壓物理的圣杯。

    文章來源: 科學畫報,·科普大世界

    原文鏈接:https://www.xianjichina.com/special/detail_505180.html

    來源:賢集網

    廈門昌霖化工有限公司:把氫“儲藏”在金屬里:人類夢寐以求的金屬氫,還要再等90年?

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