[科普中国]-氢金属化

氢气的金属化。在巨大压力下非导体转变为导体的现象称为金属化。在常温下随着压力的增加，分子氢由气态变成液态，由液态变成固态。理论上，金属氢作为氢的金属相是可能存在的，而且在高压下固氢可以变为金属氢。获得金属氢成为 物理学家尤其是从事高压物理研究工作者的梦想。1

背景氢是周期表的第一号元素，由一个质子和一个电子组成。 在室温常压下，氢是分子气体当温度降到20K时，气体氢变为液体，到14K时，成为固体氢。固体氢是分子晶体，属于六角晶系。在室温下，加压到5.4GPa时，氢将变为固氢。所以，压力，温度都是决定氢的状态相变和物性的重要条件。由于氢是周期表中的IA族元素，因此它应该是最简单的金属。

1935年，Wigner并预言在和Huntington从理论上证明金属氢的存在的可能性，25GPa高压下，氢分子组成的固态氢将转变成呈现出金属性质的同使氢素异形体金属氢。此后的实验表明，对压力的最初估计不足，金属化需要更高的压力。

金属氢有重要的理论与应用价值，在木星等天体中氢是主要成分，金属氢也被认为会存在于这些大质量的行星内部研究金属氢的性质，对于了解和解释它们的内部结构和强磁现象是很重要的。Ashcrof曾提出金属氢可能具有很高的超导转变温度，是一种很理想的超导材料。金属氢的高密度特点也使其成为一种理想的储氢方式、高能燃料。因此如果能用人工的方法合成出金属氢，将有特别重大的意义。2

研究历史实验方法产生金属氢的实验方法是对H2施加高压。压缩H2的实验技术分为动态压缩法和静态压缩法，动态压缩法以利用爆炸冲击波产生的瞬间高压和迅变高磁场产生的瞬间高压为主，优点是产生的压力二是冲击波压缩以绝热方法 很高，但也有缺点，一是实验费用昂贵，这时很难说氢是进行，大部分能量转化为热，使样品温度升得很高，固态还是等离子体。

为了从实验上证实金属氢的存在，采用过的高压方法有动态冲击波方法、动态等熵压缩方法和静态高压方法等。2

新思路传统方法一直试图通过高压使共价键断裂，将氢分子解离成氢原子转化为金属氢。化学反应产生新物质的本质是旧化学键断裂和 即使新化学键形成的过程，但超高压使化学键断裂的效果并不好在 250GPa 的压力下，氢分子中的共价键也没有断裂。而这个问题兴许可以通过引入化学方法巧妙的解决。

高压难以破坏的共价键。可以用简单的化学反应破坏。例如氢气的不稳定同素异形体三原子氢，就可用低压放电管制备。将高压和电化学反应结合起来，可能会产生新的突破。

用化学方法打旧键断裂必然伴随着新键产生与新物质的生成，打破H2的共价键意味着氢元素也会参与反应， 产生其他物质，所以除但我们了H2产生三原子氢的反应外，其他化学反应似乎无法利用。2

分子氢固体的相关特性氢分子冷却到20.4K时变成液体，到14K时变为固体，是绝缘体，氢分子与氢分子间由范德华力结合，氢分子中质子间由很强的共价键结合。在 5.7 GPa下，氢气将直接变为固体。 经同步辐射实验和中子衍射实验证明氢分子固体为hcp结构。

1988 年，毛河光等在高压拉曼实验中发现氢在150 GPa、77 K下发生Vibron不连续变化相变，其频率下降 100 cm -1。围绕着这个相变，人们做了大量实验：1989年，氢同位素氚的Vibron频率实验；1990年，氢的150 GPa相变的温度相关性实验；1990 年，氢的 80 GPa折射率实验；1993 年，氢在150 GPa 、 85 K时红外Vibron频率的不连续性实验。 但是，如电阻率变化这样的直接实验证据并没有获得，由此相 变得到能带重叠的分子相金属氢仍然是没有定论。

固态氢在何压力下可转化为金属氢，各人的计算结果很不一致，大部分的理论预言（包括能带理论和均匀电子气微扰理论）是 100～500 GPa。国内李俊杰和朱宰万计算了固体氢和金属氢的基态能量与状态方程，得出转变为原子金属氢的压力为 445GPa。3

本词条内容贡献者为:

耿彩芳 - 副教授 - 中国矿业大学