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逆天的氢金属 精选

已有 8600 次阅读 2017-1-29 17:03 |个人分类:自然科学|系统分类:海外观察

氢是现代科学的皇冠。众多著名科学家都投身这一伟大元素的研究,氢光谱线是量子力学的引航灯,氢原子奠定了量子原子模型、核磁共振和氢同位素灯的研究,是带领现代物理向纵深发展。

在氢研究的这个皇冠上,有一颗靓丽明珠,就是关于氢金属的研究。

理论上氢是一种金属,只不过这种金属在一般条件下无法存在。科学家利用钻石对顶砧制造出极端高压状态,从而生成“第五状态氢”,即固体氢金属状态。这是一种新的物质形态,这种状态的氢通常存在于大型行星或太阳内核,氢分子分离成单原子,电子像金属电子一样。

2017年除夕夜,中国人都忙着过春节,哈佛大学学者在《科学》发表了他们关于氢金属的研究论文,成为2017年春节期间科学领域最热门话题。

Dias, R. P. & Silvera, I. F.Sciencehttp://dx.doi.org/10.1126/science.aal1579 (2017).

这是一个八十年前的理论,一直没用确定证据。1935年,科学家首次在理论上提出氢的这种状态。最近40年来,科学家们一直努力尝试造出这种氢金属。其中一个基本的技术就是如何制造出极端高压状态,科学家利用钻石对顶砧把氢压缩到前所未有的高压状态,进一步证实这种罕见“金属态氢”存在,而且发现这种状态比较稳定。

太阳和太阳系大型行星如木星和土星内核,主要由高压氢元素构成。本次美国学者实现的495万个大气压,就是模拟这种环境,这次实验证明了氢的这种不寻常状态。

关键研究证据:

Microscope photos show hydrogen transitioning from a transparent gas (left), through a black molecular state (middle), to a shiny metallic form (right),


金属氢的验证和分析是现代科学的圣杯之一。这是一种神奇材料,可用于开发超快速计算机和不需要充电的氢能汽车等尖端技术。但也被认为这种材料不可能制造成功,因为理论上制造这种材料需要的压力在地球中心都无法达到。但是不可思议的是,两个哈佛大学的科学家终于实现了这一目标。更重要的是,本次研究发现这种氢金属状态是亚稳态,意味着可降低压力或增加温度的情况下继续保持金属状态,也就是说有可能获得常温常压下的氢金属或氢钻石。这可是不可思议的不可思议。

研究对接近绝对零度(摄氏零下273度)的液体氢,用两个钻石产生数前个大气压进行加压,就这样制造出金属氢。将来的研究是减少压力,探索是否在室温下能保留氢的金属状态。如果这个目标实现,可能是人类科学技术历史上的重大突破,因为理论上氢金属是室温超导材料。超导材料是尖端技术的代表,但是超导材料一般需要在非常低的温度下才能实现,因此难以在工业上大量使用,因此超导研究领域一直追求的目标就是如何提高超导材料的温度,如果能在常温下制造出金属氢,则可以实现长期以来超导研究的梦想。


超导为什么让人重视,是因为这种材料可在零损耗的情况下长距离输送电能。给线圈输入电流,只要你不放电,电流可以在其中持续流动,不额外消耗能量。稳定线圈电流可产生稳定磁场,这是制造强大磁场的基本方法。现在我们经常使用的核磁共振设备就是使用超导技术。另外磁悬浮列车、高档电动机、大型强子对撞机等方面都使用超导技术。不过因为必须在接近绝对零度(一般是4度)条件下使用,所以核磁共振等设备都必须有一个非常大的杜瓦外壳,里面有液氮和液氦维持超低温条件。超低温条件已经成为超导应该的最主要技术瓶颈。

如果能实现次低温甚至常温超导技术,将会将超导技术的成本降低巨大,超导电池能用于太阳能和风能电池,可更高效地利用这些绿色能源。大型计算机也能在更高速度下运行而不会产热。电动机可以在非常高的功率下运转。例如航空母舰舰载机电磁弹射技术,将可以大大减少充电时间。总之,氢金属具有的常温超导特征意味着我们可以充分发挥每种能源的使用效率。更值得强调的是,氢是宇宙中最常见的元素,氢有取之不尽的原材料。

当然,也许这种室温超导氢金属材料根本不存在,也许会自动融化消失,也许会爆炸或转化为氢气。这种材料也从来没有被发现过,只在理论上存在。如果室温氢金属不存在,将会动摇整个现代理论物理学的根基。如果室温氢金属存在,我们并不会马上看到,进入工业应用则是更遥远的梦想,但是拥有梦想是人类生存的信念之一,我们都需要梦想。



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