氫氣也能“點(diǎn)氣成金”

鄔裔

在美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）實(shí)驗(yàn)室中，小小測試室里的氫樣品正承受著巨大的壓力。壓力是如此巨大，以至于氫氣改變了狀態(tài)，變成了液體。不過，這才只是開始，在壓力逐漸變得更大時(shí)，小液滴還要經(jīng)歷一系列的變化。

氫是宇宙中含量最多的元素，木星和土星等氣體行星的主要組成成分就是氫，不過在行星內(nèi)部，氫的存在形式并不是氣態(tài)的，而是金屬氫。因此，小小的氫液滴的變化可以告訴我們很多關(guān)于木星和土星等行星的情況。同時(shí)，固態(tài)的金屬氫將會(huì)是一種神奇的未來材料，它可以作為燃料，讓航天器飛得更遠(yuǎn);還可以作為超導(dǎo)體，讓電流毫無阻力地流動(dòng)。

簡單物質(zhì)的多種狀態(tài)

氫有三種同位素：氕、氘、氚，自然界中99.985%的氫為氕，它有著世界上最簡單的原子結(jié)構(gòu)，一個(gè)質(zhì)子外圍繞著一個(gè)電子。另外，氘的原子核由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子組成，在大自然中的含量一般約為所有氫元素的七千分之一。而氚的原子核由一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成，它具有放射性，在自然界存在極少。在實(shí)驗(yàn)室里，還可以用人工方法合成氫的另外4種同位素： 氫4、氫5、氫6、氫7。

在我們的自然界中，氫主要以氫氣的形式存在，它由兩個(gè)原子結(jié)合在一起，形成一個(gè)分子。不過，隨著壓力和溫度的改變，原子的密度和排布都會(huì)改變，因此氫實(shí)際上有多種狀態(tài)。在常壓下當(dāng)溫度降低到-252.88℃時(shí)，氫就會(huì)成為液體，再降低到-259.125℃時(shí)，氫就會(huì)變?yōu)楣腆w。

但是在高溫下，隨著壓力增加，氫氣會(huì)先變成清澈的液態(tài)氫，此時(shí)分子可以自由地流動(dòng);再變成一種不透明的液態(tài)氫，此時(shí)液體內(nèi)部既有分子也有原子;最后分子鍵完全斷裂，變成一種由原子組成的液態(tài)金屬氫氣。最后隨著壓力增大，氫原子核整齊排列在一起，電子可以自由地移動(dòng)，此時(shí)為固態(tài)金屬氫狀態(tài)。

目前，研究人員的重點(diǎn)在于液態(tài)和固態(tài)的金屬氫。2018年8月，美國NIF實(shí)驗(yàn)室的研究人員找到了將氘轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傩问降臏?zhǔn)確方法，條件為726.85℃以上的溫度和200萬大氣壓力。盡管實(shí)驗(yàn)室中的液態(tài)金屬氫十分不穩(wěn)定，但是可以讓研究人員了解一些液態(tài)金屬氫的性質(zhì)，比如液態(tài)金屬氫是否是一種超流體液體。

如果液態(tài)金屬氫是超流體液體，它將對科學(xué)家理解氣體行星內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)模式和外部磁場情況起到至關(guān)重要的作用。據(jù)天文學(xué)家推測，木星和土星等氣體行星的內(nèi)部存在著液態(tài)金屬的海洋，這些巨行星的80%是由液態(tài)金屬氫構(gòu)成的，而不是單純的氣體。在超流體液體中，粒子流動(dòng)不會(huì)遇到任何阻力，一旦液體開始運(yùn)動(dòng)，便可以無限地運(yùn)動(dòng)下去，這很可能是木星具有強(qiáng)烈磁場的原因。

尋找固態(tài)金屬氫

制造固態(tài)金屬氫的道路雖然任重道遠(yuǎn)，但是一旦成功，就將帶來金屬氫研究領(lǐng)域的重大飛躍。

固態(tài)金屬氫的研究始于1935年，當(dāng)時(shí)美國物理學(xué)家尤金·威格納和希拉德·亨廷頓預(yù)測，在超大的壓力下，氫氣可以轉(zhuǎn)化為具有金屬性質(zhì)的固體物質(zhì)，而且原子結(jié)構(gòu)要緊湊10倍。同時(shí)固態(tài)物質(zhì)一旦產(chǎn)生，即使在常壓下也能保持其狀態(tài)和金屬性質(zhì)，就好比鉆石一樣。鉆石由碳在地球內(nèi)部的高壓和高溫下形成，當(dāng)鉆石從地下被開采出來時(shí)，它仍能保持緊湊的原子結(jié)構(gòu)，而不是膨脹成石墨。

科學(xué)家最接近成功的一次是在2017年，美國哈佛大學(xué)的科學(xué)家在極低的溫度下，利用金剛石對頂砧（由相對的兩顆金剛石和密封墊組成，樣品置于金剛石和密封墊中央）對氫樣品施加了495萬倍的大氣壓力（地核壓力為大氣壓的360倍左右）。隨著壓力的逐漸加大，氫從一種不能導(dǎo)電的透明絕緣體轉(zhuǎn)變成一種黑色半導(dǎo)體，最后轉(zhuǎn)變成一種光澤耀眼的金屬固體。此時(shí)，氫原子之間的作用力轉(zhuǎn)化為金屬鍵，氫核外的電子擺脫了束縛，原子核共享一群電子。

令人遺憾的是，這顆世界上唯一的金屬氫存在僅一個(gè)月左右就消失了。固態(tài)金屬氫生成后便一直被保存在金剛石對頂砧中，在樣品被送往美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室之前，研究人員想利用激光最后測試一遍壓力，結(jié)果造成金剛石破碎，固態(tài)金屬氫樣品就這樣摻雜在金剛石的碎屑中，找不到了?，F(xiàn)在科學(xué)家們一直在改進(jìn)和重復(fù)該實(shí)驗(yàn)。

未來的技術(shù)革命

今天，許多火箭都是由液氫（在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度為-253℃的條件下，液化制備而成）驅(qū)動(dòng)的，如果我們使用固態(tài)金屬氫作為燃料，當(dāng)它燃燒時(shí)，會(huì)先從固態(tài)轉(zhuǎn)化為氫氣，此時(shí)，固態(tài)金屬氫變成氫氣時(shí)的能量都將被釋放出來，然后再燃燒。因此，與液氫燃料相比，這種超級(jí)金屬能夠產(chǎn)生更大的能量。研究人員預(yù)測，固態(tài)金屬氫的效率是液氫的3.7倍。

現(xiàn)代火箭往往要在太空中航行很長一段時(shí)間，因此需要很多燃料，為此需要裝備有巨大的燃料箱，火箭往往很大。一旦固態(tài)金屬氫研制成功，未來的火箭可以變得更輕便更高效，大大降低太空航行的難度和成本。

除了作為燃料，固態(tài)金屬氫的另一重要應(yīng)用是作為超導(dǎo)體。目前的超導(dǎo)體必須用液氮冷卻到-269℃才能保持極低的電阻率，這既昂貴又需要能量。然而根據(jù)理論預(yù)測，固態(tài)金屬氫是一種室溫下的超導(dǎo)體，電阻率為0。這可能為一場技術(shù)性革命鋪平道路，我們可以將來自綠色能源的電儲(chǔ)存在由固態(tài)金屬氫組成的大型超導(dǎo)線圈中，由于電阻率完全為0，電流在其中流動(dòng)不會(huì)消耗任何能量，可以一直流動(dòng)下去。

雖然研制固體金屬氫、并實(shí)現(xiàn)商業(yè)量產(chǎn)化的道路看上去還很長，但每個(gè)新技術(shù)的開始都是困難的。隨著近幾年該領(lǐng)域的突破，相信我們很快就能在室溫下看到氫金屬塊了。