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科學家們在創造一種特殊形態的物質，這種物質是太陽系中巨行星和太陽的一種重要組成元素。1月26日出版的《科學》雜志上傳出消息：在歷經近一個世紀之后，科學家終于成功地將曾經的理論變為現實—— —他們創造了這個星球上最稀有的，也是最有價值的材料：金屬氫。
齊魯晚報記者 任志方 整理
80年前提出的理論假設
氫是宇宙中最豐富的元素，它由最簡單的元素構成，在通常的認知下它是一種氣體—— —至少在典型的溫度和壓力下氫單質是以氣態的形式在地球上被發現的。在19世紀后期，氫氣被認為是無法液化的“永久氣體”。1898年，詹姆斯·杜瓦制作了擁有巧妙熱力學設計的“杜瓦瓶”，首次將氫氣液化。1899年，杜瓦又首次制取了氫氣的固態。
在隨后的十年里，液氫實現了工業化大量生產。20世紀30年代，E·P·維格納等人預測，在25GPa(25萬個大氣壓)下，氫將呈現出金屬性質。人們相信，處在元素周期表中第一位的氫元素在足夠大的外界壓力條件下，分子鍵會斷裂，從而形成一個新的金屬原子態，而這種原子態有可能具有超過室溫的超導電性。
在25GPa下形成金屬原子狀態的氫，這是80年前提出的理論假設。但此后的實驗表明，需要的壓力遠高于此。上世紀60年代，通過高壓，人們制備了“金屬碘”，然后黑磷等等的發現也在逐漸證實這一觀點。逐漸地，硫等單質均被高壓所征服。四十多年來，世界各地的研究人員一直在努力嘗試創造金屬氫，這是物理學領域最活躍的研究，可以稱得上物理學領域的圣杯。
壓力條件高于地球中心壓力值
1989年，卡內基研究所霍古阿·馬奧博士等人在-196℃的極低溫和250萬個大氣壓下，首次制取了成為黑色超微粒子化的一種新固態氫單質。
2016年，來自愛丁堡大學的物理學家，使用了一對鉆石來擠壓氫分子實現高壓，同時分析它們的行為。他們發現在壓力相當于地球大氣壓的325萬倍時，氫進入到了固體狀態，被命名為“狀態五”，這時候氫開始表現出一些有趣的和不尋常的特性。它的分子開始分成單個原子，原子中的電子表現出金屬特性。該團隊聲稱，他們發現的狀態還只是分子分離的開始，如果想要創造出理論預測的純原子和金屬狀態的氫，還需要更高的壓力。
此次哈佛大學團隊發現的金屬氫，是由自然科學系教授伊薩克·席爾瓦拉和他的博士后研究員蘭加·迪亞茲共同完成的。他們將一塊微小的固態氫樣品置于495千兆帕斯卡的高壓下(大約相當于488萬個大氣壓)，這一數值甚至超過了位于地球中心的壓力值。在這一極端的外部壓力下，分子氫的化學鍵將被打開，最終形成由氫原子為最小單位而組成的晶體氫，即具有金屬性質的金屬氫。
對氫氣進行壓縮處理極為困難，因為它很輕，容易從容器中泄漏出去，同時化學活性又很強，易與其他材料發生化學反應。為了達到能夠創造這一全新材料的苛刻條件，席爾瓦拉和迪亞茲選擇了兩塊經過精心拋光的合成金剛石。這兩塊金剛石在使用之前經過了特殊處理，使其變得更加堅固。隨后，這兩塊金剛石相對地安裝在金剛石對頂砧上。
席爾瓦拉說，“我們使用鉆石粉對金剛石的表面進行了拋光處理，但是它可能會破壞金剛石表面的結構，剝離碳原子。當我們使用原子力顯微鏡對鉆石表面進行觀察時，我們發現了一些缺陷。而這些缺陷可能會削弱材料的強度，并有可能引起材料的斷裂。”
為了解決這一問題，他們使用了反應離子蝕刻工藝，從金剛石的表面刮削出一層僅為5微米厚的微小薄層—— —該厚度僅為人類頭發直徑的十分之一。隨后，他們將金剛石的表面涂覆上了一層氧化鋁薄層，以防止氫擴散到金剛石晶體結構中，引起材料脆化。
在經過長達四十多年的不懈耕耘后，席爾瓦拉坦言，他第一次親眼見證這一材料，內心無比激動。這一天，距離金屬氫第一次在理論層面上提出，已經過去了近一個世紀。
一種清潔的高能含能物
作為預言中的物質，氫原子在高壓狀態下呈現金屬電性結合的金屬氫物質作為高能含能物，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。
金屬氫的高能密度對航天工業意義重大，現在的火箭是用液氫作燃料，因此必須把火箭做成一個很大的熱水瓶似的容器，以便確保低溫。理論上以金屬氫作為燃料的火箭發動機比沖可以高達1700秒—— —遠超目前的先進水平450秒。如果使用了金屬氫，火箭就可以制造得靈巧、小型。金屬氫應用于航空技術，就可以極大地增大時速，甚至可以超過音速許多倍。由于相同質量的金屬氫的體積只是液態氫的1/7，因此，由它組成的燃料電池，可以較容易地應用于汽車。
金屬氫作為超高含能物質，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。當然，作為負氧系數100%的材料，金屬氫在爆炸中需要完全的外部氧化劑供應，其爆炸條件過于苛刻，在具體的爆炸物實際應用上難度很高。也就是說哪怕真正成功量產金屬氫，也很難成為“無污染核彈”。
超導材料方面，理論上金屬氫可能在開氏溫度160K(-113 . 15℃)甚至290k(16 . 85℃)的高溫下出現超導現象，非常有可能成為實用化的常溫無電阻導線材料，引發電力傳輸上的革命性變化，使磁懸浮或者高速列車成為現實。同時可以用于制造效率更高的電動汽車，提高電動設備的性能。那時，汽車造成的污染也就大大減少了。
金屬氫還是一種亞穩態物質，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，受控核聚變反應使原子核能轉變成了電能，而這種電能將是廉價的又是干凈的，在地球上就會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。
而在行星科學家看來，像木星這樣的氣體巨行星的內部也有著極高的壓力，因此其內部很可能就是由類似固態氫的物質組成。因此，通過人為制造超高壓來壓縮氫氣，也能幫助科學家了解氣體巨行星的內部結構。
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