金属氢悲惨的一生

2017年1月，哈佛大学物理学家艾萨克·席维拉团队宣布，制造出了地球上最稀有、最珍贵的材料——金属氢，引起了许多人对高压物理的关注。

为什么人们如此费尽心血地来研制金属氢呢？这是因为一旦金属氢问世，就如同当年蒸汽机的诞生一样，将会引起整个科学技术领域一场划时代的革命。金属氢是一种亚稳态物质，可以用它来做成约束等离子体的“磁笼”，把炽热的电离气体“盛装”起来，这样，受控核聚变反应使原子核能转变成了电能，而这种电能将是廉价的又是干净的，在地球上就会方便地建造起一座座“模仿太阳的工厂”，人类将最终解决能源问题。用金属氢输电，可以取消大型的变电站而输电效率在99%以上，可使全世界的发电量增加四分之一以上。如果用金属氢制造发电机，其重量不到普通发电机重量的10%，而输出功率可以提高几十倍乃至上百倍。

也有人认为若金属氢成功制造出来，可以作为火箭的燃料。

然而2月22日，英媒报道，由于操作失误，这块唯一的金属氢消失了。当这条新闻席卷各大新闻平台首页时，你是不是一脸懵逼。。

什么是金属氢？明明是可以让气球飘起来的气体怎么就变成金属了呢？

氢，作为元素周期表的第一个元素，隶属于第一主族，高中化学老师我们第一主族是碱金属，什么锂钠钾铷铯钫，都是极其活泼的金属，简直是金属中的楷模，唯独氢显得格格不入，表现出非金属的性质。什么是金属呢？当我们看到一种金属的时候，大家都知道它是金属，因为金属有一些不平常的性质。当金属表面光滑时，它们反射光的效率很高（反射率高），因此它们具有一种“金属光泽”；但非金属却没有很高的反射能力，因而具有一种“无光泽的颜色”。注意啦~~这点很重要，是之后判断氢是否金属化的标志。金属容易变形，能够制成金属板和拉成金属线；而非金属在受到打击时会被打碎，破裂或成为粉末。金属易于导热和导电，非金属却不能。

在大多数普通化合物中，例如在我们周围，看得见的海洋里和土壤里的那些化合物分子是由原子所构成的，这些原子由于共同享有电子而紧密地保持在一起。这里的每一电子都紧紧地被束缚在某一个原子或另一个原子上。当出现这种情况时，物质就表现出非金属性质。根据这种准则，氢是一种非金属。普通的氢分子是由两个氢原子构成的。每个氢原子只有一个电子，构成一个分子的两个氢原子平均共享那两个电子。没有剩下的电子。

科学家们就是一群没事喜欢瞎想，不安分的人，他们认为氢好歹是第一主族的元素，肯定不是吃素的，很有变成金属的潜力。

早在80年前，Wigner和Huntington就提出来，在极端的物理条件下，氢会转变成一个氢原子分配一个电子，且电子可以自由移动的金属状态，类似碱金属。

怎样才能实现这种状态呢？既然常规方法已被证明行不通，科学家们决用“暴力”解决，他们对氢施加极大的外力，破坏原有的分子结构，改造成金属的结构。假定有足够的压力把氢原子非常紧密地挤在一起，以致各个原子都被8个、10个甚至12个近邻原子所包围。于是，每个氢原子的单个电子，不管原子核有异常强的吸引力，就可能开始从一个相邻原子滑到另一个相邻原子。这样你就会得到“金属氢”。

要实现以上的假设氢原子必须处在巨大的压力（500Gpa，大约5000000个大气压）下，在太阳系中最接近于满足这个条件的地方是在木星的中心，因此有些人认为，木星的内部也许是由金属氢所构成的。在地球上，是如何实现这么大的压力大呢？科学家发明了一种金刚石压砧（Diamond Anvil Cell，简称DAC）的方法。我们知道，压强=压力/受力面积，当能施加的压力达到极限时，可以通过减小受力面积来获取更高压力。感受下。。妹纸光着脚踢你和用高跟鞋的尖头踢你那个疼？

金刚石压砧示意图，两个钻石中间放液态氢，需要密封垫来封装，不懂的想象下高压锅的密封圈

哈佛的学者们就是运用DAC的方法，在极低的温度下（-268摄氏度）将极少量液态氢放在金刚石的砧面（就是钻石的尖尖，砧面直径50微米，头发丝的直径是80微米。。。你们可以感受下有多小），将两个钻石合拢，施加外力，从而达到极高的压力。在施加压力使压强不断升高的过程中，他们还用红外光来测量氢的反射率，来判断它是否金属化。压力在不断升高的过程中，氢也经理许多变化，这里就不一一介绍了，有兴趣的可以看看原文的相图。当压力达到495Gpa（可以对比下地心的压力在360Gpa左右，而495Gpa这个压力已经是现在技术的极限了，平常做到100多Gpa都很要谢天谢地啦~）,他们惊喜的发现原本黑色的固态氢逐渐变得有金属光泽，反射率也达到了0.91，其他的参数如等离子体频率，电子密度也都符合金属的特性。就这样第一块金属氢就制备成功了~

样品镜下图（205Gpa还是透明的液态氢，415Gpa不透明固态氢，495Gpa变成金属）

“哇！好棒棒。。我们制备了世界上第一块金属氢耶~”正当哈佛的学者们准备嘚瑟时候，悲剧发生了。2017年2月22日，也就是他们在Science上发paper的一个月后，当艾萨克团队尝试用低功率激光器测量压力时，听到了微的“咔嗒声”，表明其中一块金刚石已碎成尘埃。钻石恒久远，一颗永流传”的钻石在495Gpa的极高压力下，也是显得弱不经风。极端物理条件下，Nothing is forever~艾萨克说“我的心沉到了低谷”，这一灾难性的失败使样本消失了。也许你同样为这块珍贵的金属氢样品感到惋惜，但学术界有些人却很开心，至少他们就可以继续用“金属氢”的课题申项目，赚大钱了呀~

参考文献

R. P. Dias et al.,Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen, Science 10.1126/science.aal1579 (2017).

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