金属氢

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木星剖面图
像木星、土星这一类的气态巨行星，其内部可能含有大量的金属氢(灰色部分)及金属氦[1]

金属氢是一种氢元素的简并态物质，双原子分子H
2的同素异形体。当氢气被充分压缩，经过相变后便会产生金属氢，此形态的氢表现出金属的特性。此形态是由1935年以理论预测出[2]。

固态金属氢是由原子核（即质子）组成的晶体结构，其原子间隔小于玻尔半径，与电子波长长度相当（参见德布罗意波长）。电子脱离了分子轨道，表现为一般金属中的自由电子。而在‘液态’金属氢中，质子没有晶格次序，质子和电子组成液态的系统。

2017年1月，哈佛大学的Ranga Dias研究团队宣称通过对氢气施加495GPa的高压，首次制得固态金属氢[3][4]，随后在2月22日，将盛放金属氢的钻石容器打破，失去了唯一一块金属氢样本[5]。

理论预测[编辑]

金属化的所需的压力[编辑]

虽然氢元素位于元素周期表碱金属列头，但氢气在常态下并不是碱金属。在1935年，物理学家尤金·维格纳和希拉德·亨廷顿（英语：Hillard Bell Huntington）预测，在250,000个大气压（约25GPa）下，氢原子核会失去对电子的束缚能力，呈现出金属性质[6]。此后的实验表明，对压力的最初假设不足[7]。理论计算表明使氢氧金属化需要更高的压力，但是仍然是可通过实验可得到的。

爱丁堡大学极限和科学中心[8] 教授Malcolm McMahon[9] 指出，他们正在研究产生5,000,000大气压的技术（大于地球中心的压力），希望能产生金属氢。

液态金属氢[编辑]

质子质量是4He的四分之一。在常压下，由于高零点能，质子在绝对零点附近也呈现液态。同样的，质子在密集的状态下，零点能也很高，在高压缩状态下，有序能会降低。压缩氢的最高熔点目前还处于争论之中。[10][11]

超导性[编辑]

尼尔·阿什克罗夫特提出，金属氢在常温下（290K）也可能是超导体。[12]此温度远高于任何已知材料。

实验进展[编辑]

世界各国正通过多种途径来产生超高压制取金属氢。比较成熟的有两种方法，一种叫动态压缩法，即是从强磁场中采用快速冲击压缩，获取高压来制取金属氢。另一种叫静态压缩法，即产生100～200万大气压的静态高压，压缩液氢来制造金属氢。

2011年，科学家在2,600,000-3,000,000大气压（260-300 GPa）下观测到液态金属氢和金属氘[13][14]。2012年，其他研究人员质疑该成果是否属实[15][16]。

2015年，科学家宣称使用Z脉冲功率设施制造出金属氘[17]。

静态压缩[编辑]

2017年，美国哈佛大学科学家，利用钻石高压砧法将以3250万公斤的力施加于6.5平方公分的氢样本上，此压力已强过地心压力，也已逼近合成钻石强度崩溃边缘。 成功让气体型态的氢在充分压缩后，转变成为金属氢[18]。

动态压缩[编辑]

1996年3月，劳伦斯利福摩尔国家实验室的科学家报道他们无意中得到了可辨别的金属氢，其温度是1000K和压力超过1,000,000大气压（大于100GPa）。[19]

太空中的金属氢[编辑]

金属氢被认为会存在于一些气态巨行星的内部，如木星、土星以及一些新发现的太阳系外行星等。但是，由于气态巨行星内部实际温度要高于以前的理论预测，因此金属氢可能比预计的更多和更靠近行星表面。

应用[编辑]

室温超导体[编辑]

有理论称亚稳态金属氢（简称MSMH）在压力释放之后，可能不会立即恢复成普通氢气。部分科学家预测，亚稳态金属氢在290K可能也是超导体，远高于已知的超导体材料。[20]

原子能[编辑]

惯性约束聚变中涉及使用激光束轰击氢同位素。对极限条件下氢气的性质的了解能帮助增加效率。

能源[编辑]

有可能产生大量的金属氢的实际用途。有理论称亚稳态金属氢（简称MSMH）在压力释放之后，可能不会立即恢复成普通氢气。

MSMH是个有效而且干净的能源，最终产物只有水。MSMH燃烧时，会比普通氢气更剧烈，将会释放九倍于普通氢，五倍于目前航天飞机燃料（液态H2/O2）的效果。但是，劳伦斯利福摩尔的实验过于简单，还不能确定亚稳态的金属氢是否存在。

参见[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ http://www.pnas.org/content/105/32/11035.extract
  2. ^ Wigner, E.; Huntington, H. B. On the possibility of a metallic modification of hydrogen. Journal of Chemical Physics. 1935, 3 (12): 764. Bibcode:1935JChPh...3..764W. doi:10.1063/1.1749590. 
  3. ^ Crane, L. Metallic hydrogen finally made in lab at mind-boggling pressure. New Scientist. 26 January 2017 [2017-01-26]. （原始内容存档于2017-02-18）. 
  4. ^ Dias, R. P.; Silvera, I. F. Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen. Science. 2017 [2017-01-27]. arXiv:1610.01634 可免费查阅. doi:10.1126/science.aal1579. （原始内容存档于2017-02-15）. 
  5. ^ Johnston, Ian. World's only piece of a metal that could revolutionise technology has disappeared, scientists reveal. Independent. 13 February 2017 [2018-06-30]. （原始内容存档于2022-05-12）. 
  6. ^ [1] （页面存档备份，存于互联网档案馆） E. Wigner and H. B. Huntington, On the Possibility of a Metallic Modification of Hydrogen J. Chem. Phys. 3, 764 (1935).
  7. ^ [2] （页面存档备份，存于互联网档案馆） P. Loubeyre, R. LeToullec, D. Hausermann, M. Hanfland, R. J. Hemley, H. K. Mao, and L. W. Finger, X-ray diffraction and equation of state of hydrogen at megabar pressures Nature 383, 702 (1996).
  8. ^ 存档副本. [2008-12-11]. （原始内容存档于2021-04-17）. 
  9. ^ 存档副本. [2015-08-22]. （原始内容存档于2009-06-07）. 
  10. ^ [3][永久失效链接]. Ashcroft N.W., The hydrogen liquids, J.Phys. A 12, A129-137 (2000).
  11. ^ [4] （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Bonev, S.A., Schwegler, E., Ogitsu, T., and Galli, G., A quantum fluid of metallic hydrogen suggested by first principles calculations Nature 431, 669 (2004).
  12. ^ [5] （页面存档备份，存于互联网档案馆）. N. W. Ashcroft Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor? Physical Review Letters 21 1748–1749 (1968).
  13. ^ Eremets, M. I.; Troyan, I. A. Conductive dense hydrogen. Nature Materials. 2011, 10 (12): 927–931. Bibcode:2011NatMa..10..927E. doi:10.1038/nmat3175. 
  14. ^ Dalladay-Simpson, P.; Howie, R.; Gregoryanz, E. Evidence for a new phase of dense hydrogen above 325 gigapascals. Nature. 2016, 529 (7584): 63–67. Bibcode:2016Natur.529...63D. doi:10.1038/nature16164. 
  15. ^ Nellis, W. J.; Ruoff, A. L.; Silvera, I. S. Has Metallic Hydrogen Been Made in a Diamond Anvil Cell?. 2012. arXiv:1201.0407 可免费查阅 [cond-mat.other]. no evidence for MH 
  16. ^ Amato, I. Metallic hydrogen: Hard pressed. Nature. 2012, 486 (7402): 174–176. Bibcode:2012Natur.486..174A. doi:10.1038/486174a 可免费查阅. 
  17. ^ Z machine puts the squeeze on metallic deuterium. Chemistry World. [2017-01-27]. （原始内容存档于2016-06-16）. 
  18. ^ 《科学实验成功》高压制成金属氢 可能用作超导体 （页面存档备份，存于互联网档案馆），自由时报
  19. ^ [6] （页面存档备份，存于互联网档案馆） S. T. Weir, A. C. Mitchell, and W. J. Nellis, Metallization of Fluid Molecular Hydrogen at 140 GPa（1.4 Mbar）Physical Review Letters 76, 1860 - 1863 (1996).
  20. ^ 科學家高壓創造出全新物質—「金屬氫」，可能用作超導體. [2017-01-29]. （原始内容存档于2020-10-20）. 
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