[科普中国]-金属氢

金属氢是液态或固态氢在上百万大气压的高压下变成的导电体。导电性类似于金属，故称金属氢。 金属氢是一种高密度、高储能材料，之前的预测中表明，金属氢是一种室温超导体。

金属氢内储藏着巨大的能量，比普通TNT炸药大30─40倍。2017年1月26日, 《科学》杂志报道哈佛大学实验室成功制造出金属氢1。2017年2月22日，由于操作失误，这块地球上唯一的金属氢样本消失了。

简介氢是人们最熟悉的化学元素。它在常温下是一种气体，在低温下可以成为液体，在温度降到零下259℃时即为固体。如果对固态氢施加几百万个大气压的高压，就可能成为金属氢。金属氢的出现是当代超高压技术创造的一项奇迹，它是高压物理研究领域中一项十分活跃的课题。

氢在金属状态下，氢分子将分裂成单个氢原子，并使电子能够自由运动。在金属氢中，氢分子键断裂，分子内受束缚的电子被挤压成公有电子，这种电子的自由运动，使金属氢具有了导电的特性。因此，把氢制成金属，关键就是把电子从原子的束缚下解放出来，把共价键转变为金属键。2

发展历史在1935年，英国物理学家贝纳尔就预言，在一定的高压下，任何绝缘体都能变成导电的金属，只是，不同的材料转变成导电金属所需的压力不同而已，有的材料，如磷，已能获得导电体，但稳定的金属氢样品始终没有得到。在苏联、日本、美国的几个实验室中，只在上百万大气压的超高压下得到了金属氢，不过，一旦恢复常压，氢又回复到初始状态。判断得到了金属氢，依据是当处于高压下时，它的电阻从10^8欧姆变为10^2欧姆（苏联人的数据），或从(1.26×10^12)欧姆降到10^2欧姆（日本人的数据）。

从20世纪40年代开始，美、英等国就投入了大量的人力、物力研制金属氢。世界上的高压实验室已达100多个。我国已研制成功了能产生100万大气压的压力机。我国研制成功了“分离球体式多级多活塞组合装置”能产生200万个大气压。中国等几个国家宣布已在实验室内研制成功了金属氢，这是人类向金属氢迈出了可喜的一步。而要使金属氢大规模投入工业生产，还有相当大的困难。但它已有力地推动和促进了超高压技术、超低温技术、超导技术、空间技术、激光、原子能等20多门科学技术向着新的深度发展。可以预言，大规模制造金属氢的时代已为期不远了。

英国爱丁堡大学科学家利用钻石对顶砧制造出某种极端高压状态，从而生成“第五状态氢”，即氢的固体金属状态。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之中，分子分离成单原子，电子的行为特征像金属电子一样。

早在80多年前，这种状态的氢首次在理论中被提出。从40多年前开始，科学家们一直在努力尝试再造这种状态的氢，但均未能成功。此次英国爱丁堡大学科学家利用钻石对顶砧对氢实施压缩到前所未有的高压状态，从而证实了这种罕见的“金属态氢”的存在。“金属态氢”状态不稳，科学家此前也从未见过“金属态氢”。

太阳和太阳系的大型行星的内核主要由这种高压形式的元素构成。比如，木星和土星的内核被认为主要由这种形态的元素构成。该项研究主要负责人、英国爱丁堡大学物理和天文学学院科学家尤金-格雷高里安兹教授介绍说，“在过去30年间，在无数次的高压实验中，科学家们都声称制造出金属态氢，但后来这些实验结果都被证明无效。我们的研究首次拿出了实验证据证明氢可以像预测的那样拥有固体金属态，不过所需要的压力也比此前想像的要高得多。研究成果将有助于基础科学和行星科学的发展。”

英国爱丁堡大学研究团队团队使用钻石对顶砧—— 一种能够让非常小量的物质被压缩到极端压力的设备——对氢气进行了压缩，即生成“第五状态氢”所必需的压力状态，将氢压缩成新的固体状态。为了达到“第五状态”，研究团队所实现的压力相当于325万个地球大气压。科学家们利用激光显微拉曼光谱仪观测到了这种状态的变化，从而通过实验证明了氢的这种不寻常特性。

在这种极端高压状态下，分子开始分离成单原子。研究人员发现，电子的行为与金属电子的行为特征相似。尽管此次实验比此前的实验迈进了一大步，但科学家承认还需要继续努力加以佐证。此外，为了生成单纯的原子和金属状态可能还需要更大的压力。

2017年1月26日, 杂志报道哈佛大学实验室成功制造出金属氢1。

制取从理论上来看，在超高压下得到金属氢是确实可能的。不过，要得到金属氢样品，还有待科学家们进一步研究。 尽管还末把金属氢拿到手，但理论工作者推断，金属氢是一种高温超导体，是高密度、高储能材料。

已掌握的超导材料大多需在液氦（－269℃）或液氮（－196℃）冷却下使用，这使超导技术的发展受到限制。金属氢的超导临界温度(即体现超导性质主最高温度)是零下223℃~零下73℃，可能能够在固态二氧化碳（－78.45℃)温度下使用，这将大大推动超导技术的发展。

由于金属氢是高密度材料，用它作燃料，火箭的体积和重量都会大大减小，航天事业将因此而产生巨大的飞跃。

和化学家不同，天文学家将氢和氦以外的一切元素统称为金属。在高温和高压条件下，气态的氢也可以成为电导体的金属氢。以木星为例：最外层是1000公里厚的气态分子氢，再往下是24000公里厚的液态分子氢，再往下是45000公里厚的液态金属氢。

1936年美国科学家维那对氢转变为金属的压力作了首次计算，提出了氢转变为金属的临界压力是在100万到1000万大气压的范围以内。在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，即采用1000吨重以上的压力机或用将近10层楼高的水压机来产生100～200万大气压的高压，压缩液氢来制造金属氢。

研制原因为什么人们如此费尽心血地来研制金属氢呢？这是因为一旦金属氢问世，就如同当年蒸汽机的诞生一样，将会引起整个科学技术领域一场划时代的革命。

金属氢是一种亚稳态物质，可以用它来做成约束等离子体的“磁笼”，把炽热的电离气体“盛装”起来，这样，受控核聚变反应使原子核能转变成了电能，而这种电能将是廉价的又是干净的，在地球上就会方便地建造起一座座“模仿太阳的工厂”，人类将最终解决能源问题。

用金属氢输电，可以取消大型的变电站而输电效率在99%以上，可使全世界的发电量增加四分之一以上。如果用金属氢制造发电机，其重量不到普通发电机重量的10%，而输出功率可以提高几十倍乃至上百倍。

金属氢还具有重大的军用价值。火箭是用液氢作燃料，因此必须把火箭做成一个很大的热水瓶似的容器，以便确保低温。如果使用了金属氢，火箭就可以制造得灵巧，小型。金属氢应用于航空技术，就可以极大地增大时速，甚至可以超过音速许多倍。由于相同质量的金属氢的体积只是液态氢的1/7，因此，由它组成的燃料电池，可以较容易地应用于汽车，那时，城市就不再像现在这样喧哗、污染而变得十分清洁、安静。

金属氢内储藏着巨大的能量，比普通TNT炸药大30─40倍。伴随着金属氢的诞生必将会产生许多新式武器。

相关差别在大多数普通化合物中，例如在我们周围，看得见的海洋里和土壤里的那些化合物分子是由原子所构成的，这些原子由于共同享有电子而紧密地保持在一起。这里的每一电子都紧紧地被束缚在某一个原子或另一个原子上。当出现这种情况时，物质就表现出非金属性质。

根据这种准则，氢是一种非金属。普通的氢分子是由两个氢原子构成的。每个氢原子只有一个电子，构成一个分子的两个氢原子平均共享那两个电子。没有剩下的电子。

当一些电子不是牢固地受到束缚时会发生什么情况呢？例如，我们看一看元素钾吧。每个钾原子都有19个电子，它们排列在4个壳层中，只有最外面壳层中的电子可供共享。在钾原子的情况下，这就意味着它仅仅有一个电子可以为相邻原子所共享。再则，这个最外面的电子被控制得特别松，因为在它和吸引它的中心原子核之间有另一些电子壳层，这些中间壳层把最外面的电子同中心引力隔开了。

在固体钾中，原子紧密地结合在一起，就象我们有时在水果店里看到的苹果堆成角锥形那样。每个钾原子有8个相邻原子。由于最外面的电子被控制得很松，而且许多相邻原子又如此靠近，因而任何一个最外面的电子都易于从一个相邻原子滑到另一个相邻原子。

可是，正是这些松而活动的电子，使得钾原子有可能这样紧密地结合在一起；使钾有可能易于导热和导电；也就使钾有可能变形。总之，这些松而活动的电子使钾（和其他元素以及含有这些元素的混合物）具有金属性。

记住，氢像钾一样，仅仅有一个电子可以为相邻原子所共享。然而，还有一个不同之处。在氢的一个（仅仅是一个）电子和中心原子核之间没有起隔离作用的电子。因此，这个电子被控制得太紧了一些，以致不能进行足够的运动来把氢转变为金属，或者迫使氢原子紧密地结合在一起。

事件讨论2017年1月26日，艾萨克·席维拉团队在《科学》杂志上撰文称，他们将氢气样本冷却到了略高于绝对零度的温度，在比地球中心还高的极高压下，用金刚石对固体氢进行压缩，成功获得了一小块金属氢，这块金属氢样本被保存在两块微小的金刚石之间。

艾萨克在哈佛大学发布的新闻公告中说：“制备金属氢是高压物理学的圣杯，这是地球上首个金属氢样本。”

2017年2月22日，当艾萨克·席维拉团队尝试用低功率激光器测量压力时，听到了微弱的“咔嗒声”，表明其中一块金刚石已碎成微尘。这一灾难性的失败使样本消失了。他们认为，金属氢可能消失在位于两个金刚石之间、被用来装金属氢的金属“衬垫”内；也可能因为不稳定，在常温常压下变成了气体。但也有科学家称，金属氢可能根本就没有研制出来。

艾萨克表示，通过显微镜观察，氢样本闪闪发亮，且会以金属氢应有的方式反射光线，这意味着他们制备出了金属氢。但有科学家认为，他们观察到的闪亮金属到底是不是氢还远不清楚；另有人指出，这种闪亮的金属可能是氧化铝，因为金刚石上镀了一层氧化铝，氧化铝在高压下也可能出现不同的表现。为了让众人信服，艾萨克必须使用同样的方法重复实验。3

本词条内容贡献者为:

包申旭 - 教授 - 武汉理工大学