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金屬氫作為未來(lái)的高密度、高儲(chǔ)能材料，一直是人類(lèi)夢(mèng)寐以求的能源物質(zhì)。90多年來(lái)，人們一直在嘗試以金屬的形式生產(chǎn)氫，并為此作出了不懈的努力，但始終沒(méi)有得到穩(wěn)定的金屬氫樣品。
從理論上講，在超高壓下可以得到金屬氫，一旦夢(mèng)想成真，將給世界科技帶來(lái)革命性的變化。然而，要獲得金屬氫樣品，科學(xué)家們還需要進(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，任何絕緣體都可以變成導(dǎo)電金屬，而不同的材料需要不同的壓力才能變成導(dǎo)電金屬。
金屬氫是指液態(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(chēng)為“金屬氫”，金屬氫的成功生產(chǎn)，不僅意味著人類(lèi)發(fā)現(xiàn)了一種全新的高密度、高儲(chǔ)能材料，而且可能會(huì)掀起一場(chǎng)科技革命。
這一發(fā)現(xiàn)意義重大，以至于世界各地的許多研究小組都聲稱(chēng)他們已經(jīng)成功獲得了金屬氫，但他們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手卻對(duì)此表示高度懷疑。
為什么這種常見(jiàn)元素的“金屬版”如此受重視？金屬氫研究的倡導(dǎo)者列舉了一些例子。例如，當(dāng)金屬氫轉(zhuǎn)化為氫分子時(shí)，會(huì)釋放出大量的熱能，有可能成為突破性的火箭燃料。再比如，據(jù)說(shuō)木星這樣的氣態(tài)巨行星的核心是由金屬氫等材料構(gòu)成的。因此，一些行星科學(xué)家認(rèn)為，如果我們能夠在實(shí)驗(yàn)室中成功生產(chǎn)出金屬氫，我們或許能夠更好地了解這些行星。它是如何形成的。然而，金屬氫最吸引人的特性是傳說(shuō)中的室溫超導(dǎo)性——它允許電流流動(dòng)而不會(huì)損失任何能量。
澳大利亞的海倫·梅納德·凱斯利（Helen Maynard Kessley）表示，基于所有這些原因，如果一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)成功產(chǎn)生金屬氫，將在科學(xué)界引起轟動(dòng)。“我認(rèn)為金屬氫的研究人員希望獲得諾貝爾獎(jiǎng)”。
將氫壓入金屬并承受比地核更高的壓力
盡管具有誘人的潛力，但生產(chǎn)金屬氫的過(guò)程既困難又曲折。
先說(shuō)一下氫的獨(dú)特特性，氫是宇宙中含量最多的元素，但也是宇宙中最簡(jiǎn)單的元素，由單個(gè)電子組成的氫與鋰、鈉和鉀等堿金屬一起位于元素周期表的第一列。鋰、鈉、鉀三種元素以固體形式存在于地球上，可以導(dǎo)電。氫氣通常以氣體形式存在，要把它變成金屬，每個(gè)氫原子核必須緊緊地結(jié)合在一起，讓它們的電子變得“不受位置限制”，也就是說(shuō)，讓它們可以在原子周?chē)杂梢苿?dòng)，從而產(chǎn)生導(dǎo)電性。
最早意識(shí)到這種轉(zhuǎn)變可能性的是物理學(xué)家尤金·維格納和希拉德·貝爾·亨廷頓。他們?cè)缭?1935年就做出預(yù)測(cè)，使氫的行為與元素周期表中的鄰居一樣，關(guān)鍵是壓力——超壓力。
在極端壓力下，氫分子之間的距離會(huì)變得很近，迫使原本在原子核周?chē)\(yùn)動(dòng)的電子變成自由電子，穿梭在整個(gè)高壓氫塊中。這種氫塊將表現(xiàn)出金屬固體、堅(jiān)硬、有色和導(dǎo)電的特性。這種氫結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為“金屬氫”。
要做到這一點(diǎn)，需要近400千兆帕斯卡（GPa）的壓力，這是大氣壓的400萬(wàn)倍，相當(dāng)于一個(gè)大噴氣機(jī)在小針頭上的重量，至少在實(shí)驗(yàn)室里要達(dá)到這么大的壓力是很有挑戰(zhàn)性的。 “實(shí)際上，100GPa以上的壓力，很少有人能做到。”凱斯利說(shuō)。
科學(xué)家們正在為生產(chǎn)金屬氫所需的超壓而不懈努力，最早接近這種壓力的時(shí)間是1998年。來(lái)自紐約康奈爾大學(xué)和馬里蘭大學(xué)的工程師團(tuán)隊(duì)在一種稱(chēng)為“金剛石鐵砧”的材料上對(duì)氫樣品施加壓力。
“金剛石鐵砧”實(shí)際上是一對(duì)超鋒利的金剛石。它的尖端非常小，只有人類(lèi)頭發(fā)直徑的四分之一左右。雖然很小，但研究人員可以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)金剛石鐵砧推到一起，擠壓它們之間的氫分子。最終，在打破 15 對(duì)金剛石鐵砧后，研究人員終于設(shè)法將尖端之間的壓力調(diào)整到接近地核內(nèi)部的342GPa-a值。理論上，這個(gè)壓力應(yīng)該足以金屬化氫，但氫分子仍然無(wú)動(dòng)于衷。
四年后，由法國(guó)原子能委員會(huì)(CEA)的Paul Laubaire領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組認(rèn)為，這樣的結(jié)果在意料之中。估計(jì)氫產(chǎn)生金屬豐度的壓力值是基于氫原子中可用電子的兩種不同能態(tài)之間的“間隙”——間隙會(huì)隨著壓力的增加而縮小，從而改變電子吸收或發(fā)射的方式的光。在間隙即將閉合且材料變?yōu)榻饘僦埃瑲潆娮游展獾话l(fā)光，這導(dǎo)致材料變得越來(lái)越不透明。然而，一旦間隙完全閉合并且電子可以以自由移動(dòng)的電導(dǎo)體的形式存在，它們將重新發(fā)射吸收的光能，使材料具有高反射性。
根據(jù)觀察，勞拜爾和他的同事認(rèn)為，將氫轉(zhuǎn)化為金屬態(tài)需要大約 450 GPa。
金屬氫樣品在爭(zhēng)議中誕生并“意外”丟失
又過(guò)了13年，終于達(dá)到了生產(chǎn)金屬氫的目標(biāo)。事實(shí)上，最終壓力已達(dá)到495 GPa，研究人員也見(jiàn)證了氫獲得金屬豐度的過(guò)程。至少，哈佛大學(xué)的兩位研究人員 Diaz 和 Isaac Sivilla 在 2017 年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的同行評(píng)審論文中是這樣聲稱(chēng)的，在美國(guó)哈佛大學(xué)發(fā)布的新聞稿中，Silvera 將這一成就稱(chēng)為“高壓物理學(xué)的圣杯。”
但勞拜爾并不同意這種說(shuō)法。他在接受《自然》雜志采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)，“這篇論文根本沒(méi)有說(shuō)服力。”這是因?yàn)檎撐闹械玫降乃^金屬豐度只是基于氫反射率的測(cè)量結(jié)果：在495 GPa時(shí)，它變得有光澤。但可能還有其他原因。例如，金剛石尖端上的氧化鋁涂層可能會(huì)在巨大的壓力下改變氫的反射率。
此外，壓力讀數(shù)是根據(jù)鉆石在高壓下的振動(dòng)模式推斷出來(lái)的，而不是直接測(cè)量的。因此，聲稱(chēng)的壓力未能讓其他研究人員相信壓力可能不會(huì)超過(guò)350GPa。
德國(guó)美因茨馬克斯普朗克化學(xué)研究所的 Mikhail Eremetz 也在嘗試制造金屬氫，他和他的同事亞歷山大·德羅茲多夫 (Alexander Drozdorf) 表示，哈佛研究人員發(fā)表的數(shù)據(jù)無(wú)法找到令人信服的金屬氫證據(jù)。“除了引用金剛石表面涂層反射率的變化來(lái)表示可能性之外，壓力測(cè)量也模糊不清。”
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)是自我毀滅的。
Dias 和 Sivela 一直擔(dān)心氫樣本的脆弱性，這也是他們限制測(cè)量數(shù)量和范圍的原因。更重要的是，在宣布了他們具有里程碑意義的成就并準(zhǔn)備進(jìn)一步研究后，他們發(fā)現(xiàn)樣本已經(jīng)消失了。
兩年過(guò)去了，他們?nèi)匀徊恢腊l(fā)生了什么。金屬氫的碎片——如果它們真的被轉(zhuǎn)化為金屬氫——只有 10 微米厚，這可能是從兩個(gè)金剛石砧的抓地力中滑落的。它滑到儀器底部并丟失了，或者它可能已經(jīng)蒸發(fā)了。但他們?nèi)匀粓?jiān)稱(chēng)他們“非常有信心我們已經(jīng)觀察到金屬氫的存在”。
在爭(zhēng)議中前行，金屬氫的發(fā)現(xiàn)之門(mén)終將打開(kāi)
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(kāi)了大門(mén)。
2019 年 6 月，Laubair 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觀點(diǎn)。這篇論文由他和他在 CEA 的同事 Florent Oselli 以及法國(guó)同步加速器 SOLEIL 研究所的 Paul Dumas 共同撰寫(xiě)。
“我們展示了在接近 425GPa 的壓力條件下從絕緣體分子固體氫到金屬氫的相變。”他們認(rèn)為，之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這種壓力，是因?yàn)閵W塞利幫助開(kāi)發(fā)了一種新型金剛石鐵砧。
Eremetz 認(rèn)為這些觀察結(jié)果很有趣，但遠(yuǎn)非結(jié)論性的。迪亞茲指出，要證明金屬態(tài)的存在，至少必須證明這兩件事之一：一是證明當(dāng)溫度接近絕對(duì)零時(shí)，電導(dǎo)率仍然有限；另一種是證明材料的反射率隨著波長(zhǎng)的增加而增加——但他認(rèn)為這些點(diǎn)都還沒(méi)有被揭示。
迪亞斯還指出，許多觀察結(jié)果之前實(shí)際上已經(jīng)被其他研究團(tuán)隊(duì)看到過(guò)。埃雷梅茨還表示，許多這些“新”結(jié)果之前已經(jīng)報(bào)道過(guò)，其中一些是他的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道的。
對(duì)于像梅納德·凱斯利這樣的外部觀察者來(lái)說(shuō)，獲得明確答案的唯一方法是等待他們的論文發(fā)表在同行評(píng)審的期刊上。“作為一名科學(xué)家，我必須尊重同行評(píng)審的意見(jiàn)。”她說(shuō)。
我們?nèi)绾慰创@些實(shí)驗(yàn)和爭(zhēng)議？我們是否還需要再等90年才能獲得未來(lái)的終極能源？迪亞茲和西維拉聲稱(chēng)他們重復(fù)了之前的實(shí)驗(yàn)并觀察到了相同的結(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)被調(diào)到美國(guó)羅徹斯特大學(xué)，“我正在建設(shè)一個(gè)新實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)有能力生產(chǎn)金屬氫的實(shí)驗(yàn)室，我相信我們可以復(fù)制這項(xiàng)研究。”
科學(xué)家不會(huì)被動(dòng)等待。越來(lái)越多的人在為之努力，雖然可能有三四個(gè)人同時(shí)重復(fù)對(duì)方的工作，每個(gè)人都會(huì)聲稱(chēng)自己是第一個(gè)。拉斯維加斯內(nèi)華達(dá)大學(xué)高壓系統(tǒng)研究員 Ashkan Salamat 說(shuō)：“金屬氫的開(kāi)發(fā)是我們共同的目標(biāo)，雖然我們不知道它是液體還是固體，還是一種室溫超導(dǎo)體，我們現(xiàn)在需要做的就是共同回答這些問(wèn)題。”
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