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類夢(mèng)寐以求的金屬氫,還要再等90年?

文匯報(bào)發(fā)布時(shí)間:2021-09-16 09:51:37  作者:方陵生

   金屬氫作為未來(lái)的一種高密度、高儲(chǔ)能材料,一直是人類夢(mèng)寐以求的能量物質(zhì)。90多年來(lái),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(méi)能得到。

  從理論上來(lái)看,在超高壓下得到金屬氫是可能的。一旦夢(mèng)想成真,將給世界科技帶來(lái)革命性變化。不過(guò),要真正得到金屬氫樣品,還有待科學(xué)家們進(jìn)一步研究。

  最誘人性能 傳說(shuō)具有室溫超導(dǎo)能力

  早在1935年,英國(guó)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(chǔ)能材料,而且可能會(huì)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(gè)研究小組都曾宣稱自己成功獲得了金屬氫,但他們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手卻又對(duì)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(shí),會(huì)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(shuō)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(shí)驗(yàn)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(guò),金屬氫最吸引人的性能是傳說(shuō)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(dòng)。

  澳大利亞的海倫·梅納德·凱斯利說(shuō),基于所有這些原因,一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)如果成功產(chǎn)生了金屬氫,那將是轟動(dòng)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(jiǎng)”。

  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(guò)程艱難而曲折。

  先說(shuō)說(shuō)氫的獨(dú)特特性。氫是宇宙中最豐富的元素,但同時(shí)也是宇宙中最簡(jiǎn)單的元素。由一個(gè)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姟6鴼渫ǔR詺怏w形式存在,要想把它變成一種金屬,必須讓每個(gè)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(shuō),讓它們可以在原子周圍自由移動(dòng),從而產(chǎn)生導(dǎo)電能力。

  最早認(rèn)識(shí)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?cè)缭?935年就作出預(yù)測(cè),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(lái)圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子變成穿梭在整個(gè)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(jiān)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(diǎn),需要近400千兆帕斯卡(GPa)的壓力,即大氣壓的400萬(wàn)倍,相當(dāng)于一枚小小針頭上要承受一架大型噴氣式飛機(jī)的重量。至少在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)這樣大的壓力是很有挑戰(zhàn)性的。“事實(shí)上,施加超過(guò)100GPa的壓力,就很少人能夠做到。”凱斯利說(shuō)。

  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(gè)壓力的時(shí)間是1998年。一個(gè)由美國(guó)紐約康奈爾大學(xué)和馬里蘭大學(xué)的工程師組成的團(tuán)隊(duì),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(shí)際上是一對(duì)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(lái),他們?cè)O(shè)法將兩個(gè)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(duì)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(gè)數(shù)值已接近地核內(nèi)部。從理論上來(lái)說(shuō),這個(gè)壓力應(yīng)該足以讓氫金屬化,但氫分子仍然無(wú)動(dòng)于衷。

  四年后,法國(guó)原子能委員會(huì)(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(lái)進(jìn)行測(cè)量的——壓力增加,間隙會(huì)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(huì)吸收光,但不發(fā)射光,這就導(dǎo)致材料變得越來(lái)越不透明。然而,一旦間隙完全閉合,電子能夠以自由運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電體的形式存在時(shí),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(zhēng)議中誕生又“不小心”丟失

  又過(guò)了13年時(shí)間,產(chǎn)生金屬氫的目標(biāo)終于達(dá)到了。事實(shí)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(guò)程。至少,美國(guó)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(píng)議論文中是如此宣稱的。在美國(guó)哈佛大學(xué)發(fā)布的一份新聞稿中,西維拉將這項(xiàng)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(shuō)法。他在接受《自然》雜志采訪時(shí)表示,“這篇論文根本沒(méi)有說(shuō)服力”。這是因?yàn)檎撐乃^獲得的金屬性,只是基于對(duì)氫的反射率的測(cè)量結(jié)果:在495GPa時(shí),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(huì)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(dòng)方式推斷出來(lái)的,而非直接測(cè)量得到的,因此聲稱所獲得的壓力未能說(shuō)服其他研究人員,勞拜爾認(rèn)為壓力可能不超過(guò)350GPa。

  位于德國(guó)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(lái)自鉆石表面涂層反射率變化來(lái)表明可能性外,壓力測(cè)量也模糊不清,并不明確”。

  顯然,現(xiàn)在需要做的是:重復(fù)實(shí)驗(yàn)。但說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難,因?yàn)檫@種實(shí)驗(yàn)是自毀式的。

  迪亞斯和西維拉一直對(duì)氫樣品的脆弱性很擔(dān)心,這也是為什么他們限制測(cè)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(jìn)一步研究時(shí),他們發(fā)現(xiàn)樣品消失不見了。

  時(shí)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(gè)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?jiān)稱“非常有信心,我們觀察到了金屬氫的存在”。

  爭(zhēng)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(chǎng)爭(zhēng)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(shí)向金屬氫轉(zhuǎn)變的一級(jí)相變觀測(cè)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(guó)同步加速器SOLEIL研究機(jī)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(gè)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(gè)壓力,是因?yàn)閵W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(duì)零度時(shí),電導(dǎo)率仍是限定的;二是證明材料的反射率隨著波長(zhǎng)的增加而增加——但他認(rèn)為這兩點(diǎn)都還沒(méi)有顯示出來(lái)。

  迪亞斯還指出,許多觀察結(jié)果,實(shí)際上其他研究團(tuán)隊(duì)以前已經(jīng)看到過(guò)了。埃雷梅茨也說(shuō),這些“新”的結(jié)果中有很多都是以前報(bào)道過(guò)的,其中一些就是由他的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告的。

  對(duì)于梅納德·凱斯利這樣的外部觀察家來(lái)說(shuō),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(píng)議的期刊上。“作為一名科學(xué)家,我不得不尊重同行評(píng)議的意見。”她說(shuō)。

  我們?nèi)绾慰创@些實(shí)驗(yàn)和爭(zhēng)議呢?我們是否還要為未來(lái)的終極能源再等上90年?也許不會(huì)。迪亞斯和西維拉聲稱,他們重復(fù)了之前的實(shí)驗(yàn),并觀察到了同樣的結(jié)果。“大約一年前,我們?cè)诟邏合聫?fù)制了一個(gè)樣本,但由于技術(shù)原因,我們無(wú)法測(cè)量壓力,所以我們沒(méi)有發(fā)表。”西維拉說(shuō)。

  迪亞斯后來(lái)調(diào)到了美國(guó)羅切斯特大學(xué),“我正在建造一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)室,一個(gè)具備制造金屬氫能力的實(shí)驗(yàn)室。我相信我們能夠復(fù)制這項(xiàng)研究”。

  科學(xué)家們不會(huì)被動(dòng)等待,越來(lái)越多的人在為此而努力,雖然有可能同時(shí)會(huì)有三四個(gè)人在重復(fù)對(duì)方的工作,而且每個(gè)人都會(huì)聲稱自己是第一個(gè)。美國(guó)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(shuō):“開發(fā)金屬氫是我們的共同目標(biāo)。盡管我們不知道它會(huì)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(lái)回答這些問(wèn)題。” (方陵生/編譯)

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