撰文 杰西·埃姆斯帕克（Jesse Emspak）

編譯 丁家琦

科學(xué)家給宇宙中最輕的元素——?dú)浼由想y以置信的高壓，得到了一種嶄新的物質(zhì)結(jié)構(gòu)：氫V（即氫的第五種物質(zhì)狀態(tài)）。

這種結(jié)構(gòu)很可能是20世紀(jì)30年代提出的所謂“原子固體金屬氫”的前身。理論預(yù)言，只要把溫度降得足夠低，通常情況下為氣態(tài)的氫氣就能變成固體，而再加上足夠高的壓強(qiáng)，它就能變成金屬。

行星科學(xué)家認(rèn)為，像木星這樣的氣體巨行星的內(nèi)部也有著極高的壓力，因此其內(nèi)部很可能就是由類似固態(tài)氫的物質(zhì)組成。因此，通過人為制造超高壓來壓縮氫氣，也能幫助科學(xué)家了解氣體巨行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

壓縮氫氣

在英國愛丁堡大學(xué)，一名博士生Philip Dalladay-Simpson正在導(dǎo)師Ross Howie和Eugene Gregoryanz的指導(dǎo)下將一小部分氫氣輸進(jìn)兩個(gè)金剛石砧（diamond anvil）之間，隨后將壓強(qiáng)加到384吉帕斯卡（GPa，我們地球的大氣壓約為100千帕斯卡，這個(gè)壓強(qiáng)相當(dāng)于大氣壓的384萬倍）。理論預(yù)言，當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到325GPa時(shí)，氫就會(huì)開始固化，氫原子形成層狀結(jié)構(gòu)，每層的原子在規(guī)則與混亂排布之間來回轉(zhuǎn)換，而這是人類首次在室溫下實(shí)現(xiàn)氫的該種結(jié)構(gòu)。

“我們的壓強(qiáng)和溫度都在先前工作的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了大幅提升。”Dalladay-Simpson說。液態(tài)氫已經(jīng)可以在工業(yè)中通過低溫和數(shù)十個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)生產(chǎn)出來，但至今為止還未曾有人將氫變成固體。

任何物質(zhì)的沸點(diǎn)都會(huì)隨著壓力的上升而上升（反之下降），如果你住在西藏，水的沸點(diǎn)就比內(nèi)陸低一些，烹飪的方式也要發(fā)生變化。而對于氫，就需要加上極高的壓強(qiáng)才能把它的沸點(diǎn)提高到室溫，讓它在室溫下液化，甚至凝固。

通往金屬氫之路

2011年，德國馬克斯·普朗克化學(xué)研究所的研究者宣稱他們制造出了金屬氫，但該結(jié)果受到了其他科學(xué)家的質(zhì)疑，一直沒有得到確認(rèn)。Dalladay-Simpson說他們的團(tuán)隊(duì)也不能說制造出了金屬氫，但發(fā)現(xiàn)了氫的一種新結(jié)構(gòu)，接近于金屬。所有的材料都有不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，在物理學(xué)和化學(xué)上稱為“相”（phase）。固、液、氣就是三種最常見的相，而在極端條件下還有更多的相產(chǎn)生。

為什么高壓會(huì)讓氫產(chǎn)生不同的相呢？這是因?yàn)楦邏浩仁乖緝蓛山M合成氫分子的氫原子都擠到了一起，形成類似冰一樣的結(jié)構(gòu)，原本的分子與分子之間作用力增強(qiáng)，但仍然弱于分子內(nèi)兩個(gè)氫原子之間的作用力?！凹訅鹤屧优c所有鄰近的原子都擠到一起,迫使分子之間發(fā)生相互作用，氫—?dú)滏I也開始斷裂。”Dalladay-Simpson說。

那么，怎么證明氫的結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變呢？研究人員用激光照射它，發(fā)現(xiàn)它的拉曼散射波長發(fā)生了改變，這表明出現(xiàn)了一種新的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

“我們的論文并沒有說發(fā)現(xiàn)了氫的金屬態(tài)，只說這是金屬態(tài)的前身，因?yàn)樗屠碚擃A(yù)言的固態(tài)金屬氫有相似之處?！蹦壳霸谥袊虾８邏合冗M(jìn)科研中心任職的Howie再次強(qiáng)調(diào)。研究者還不能確定得到的相是不是金屬，因?yàn)榻饎偸柚g的間隙太小了，他們無法把電極放進(jìn)去測定該物質(zhì)的電導(dǎo)率。

粉碎鉆石的超高壓

為了得到確定無疑的金屬態(tài)，研究人員還需要進(jìn)一步提高壓強(qiáng)，至少得達(dá)到400到450GPa，而這么高的壓強(qiáng)可能已經(jīng)超過了金剛石砧所能達(dá)到的極限，會(huì)讓金剛石也粉身碎骨。Dalladay-Simpson表示，他們未來計(jì)劃進(jìn)一步提高壓強(qiáng)，看看金剛石砧能撐多久。

而其他技術(shù)目前為止都無法很好地用來壓縮氫氣?！皩錃膺M(jìn)行壓縮處理極為困難，因?yàn)樗茌p，容易從容器中泄漏出去，同時(shí)化學(xué)活性又很強(qiáng)，易與其他材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。”Howie說。

不過科學(xué)家沒有被這些困難所嚇倒，仍然打算進(jìn)一步推進(jìn)研究。有理論預(yù)測液態(tài)金屬氫可能是一種室溫超導(dǎo)體，這也給他們的研究帶來了一些應(yīng)用前景。