浅谈氢气变金属氢

　　氢气是宇宙中最丰富的元素，它由非常简单的元素构成，在大多数的了解下也是某种气体—— —起码在常见的温度和压力下氢单质是以气态的形式在地球上上被得知的。在19世纪中后期，氢气被指出是没有办法液化的“永久性气体”。1898年，詹姆斯·杜瓦自制了有着精妙热力学来设计的“杜瓦瓶”，第一次将氢气液化。1899年，杜瓦又第一次制得了氢气的固态。在后来的十年里，液氢达到了新型工业化大批量生产制造。20世纪30年代，E·P·维格纳几人预测分析，在25GPa(25万个大气压强)下，氢将展现出金属性质。大家相信，处于元素周期表中第一个的氢元素在充分大的外界压力情况下，分子键会破裂，因此产生一个新的金属原子态，而这类原子态有机会有着大于室温的超导电性。在25GPa下产生金属原子情况的氢，也是80年以前提起的概念假定。但之后的试验说明，需求的压力远远高于此。上世纪60年代，通过高压，大家制备了“金属碘”，之后黑磷等等的得知也在渐渐验证这一看法。渐渐地，硫等单质均被高压所征服。几十年来，全球各地的科研人员始终在尽力试着创造金属氢，也是物理学各个领域最关注的科研，能够 称得上物理学各个领域的圣杯。

　　压力情况大于地球上中心压力值

　　1989年，卡内基科研所霍古阿·马奥博士几人在-196℃的极超低温和250万个大气压强下，第一次制得了变成黑色超微粒子化的某种新固态氢单质。

　　2016年，来自于爱丁堡院校的物理学家，用到了两个钻石来压挤氢分子达到高压，与此同时剖析他们的行为。他们得知在压力相对于地球上大气压强的325万倍时，氢进入到了固体情况，被取名为“情况五”，这个时候氢开始表現出许多有意思的和不常规的特性。它的分子开始分为单个原子，原子中的电子表現出金属特性。该组织宣称，他们得知的情况还仅仅是分子分离的开始，若是要想创造出概念预测分析的纯原子和金属情况的氢，还需求更高的压力。这次哈佛大学组织得知的金属氢，是由自然科学系专家教授伊萨克·席尔瓦拉和他的博士后研究员兰加·迪亚兹努力完成的。他们将一块细小的固态氢样品放置495千兆帕斯卡的高压下(大约相对于488万个大气压强)，这一数值甚至大于了位于地球上中心的压力值。在这一极端的外界压力下，分子氢的化学键将被开启，从而产生由氢原子为最小单位而构成的晶体氢，即有着金属性质的金属氢。对氢气完成压缩处理极其艰难，归因于它很轻，非常容易从容器中泄露出来，与此同时化学活性非常强，易与其他材料产生化学反应。为了能达到能够建立这一新材料的严苛标准，席尔瓦拉和迪亚兹选取了两个通过悉心抛光的合成金刚石。这两块金刚石在使用事先通过了特别工艺处理，使其变得越来越坚固。之后，这两块金刚石相应地安装在金刚石对顶砧上。席尔瓦拉说，“我们使用钻石粉对金刚石的表层完成了抛光处理，不过它很有可能会损坏金刚石表层的结构，脱离碳原子。当我们使用原子力显微镜对钻石表层完成观查时，我们察觉了某些缺陷。而这种缺陷很有可能会消弱材料的强度，并有很有可能造成材料的破裂。”为了能解决这一难题，他们使用了反应离子蚀刻工艺，从金刚石的表层刮削出一层仅为5微米厚的微小薄层—— —该厚度仅为人们发丝直径的十分之一。之后，他们将金刚石的表层涂敷了一层氧化铝薄层，以避免氢外扩散到金刚石晶体结构中，造成材料脆化。在通过将近四十多年的锲而不舍耕耘后，席尔瓦拉直言，他初次亲眼见证这一材料，心理极其兴奋。这天，距离金属氢初次在理论层面上提出，已然过去近一个世纪。

　　做为推测中的物质，氢原子在髙压状态下展现金属电性融合的金属氢物质做为高能含能物，不论是在高能炸药、火箭燃料，高温超导体各个领域都是有广阔的使用发展前景。金属氢的高能密度对航天工业意义重大，如今的火箭是用液氢作燃料，为此必须把火箭制成一个非常大的热水瓶一样的容器，便于保证超低温。理论上以金属氢做为燃料的火箭发动机比冲能够达到1700秒—— —远超现阶段的先进水准450秒。如果使用了金属氢，火箭就能够制作得灵巧、小型。金属氢使用于航空技术，就能够大程度地增大时速，以至于能够超过音速许多倍。鉴于同样质量的金属氢的体积仅仅是液态氢的1/7，为此，由它构成的燃料电池，能够较轻易地使用于汽车。

　　金属氢做为超高含能物质，能量密度达到218kJ/g，是TNT炸药(4 . 65kJ/g)的约50倍，是综合性能最好的奥托金HMX炸药(5 . 53kJ/g)的约40倍。不过，做为负氧系数100%的材料，金属氢在爆炸中必须充分的外界氧化剂供应，其爆炸标准太过严苛，在实际的爆炸物实际使用上难度系数很高。简言之就算真的顺利量产金属氢，也难以成为“无污染核弹”。

　　超导材料这方面，理论上金属氢很有可能在开氏温度160K(-113 . 15℃)以至于290k(16 . 85℃)的高温下出现超导现象，极其有很有可能成为实用化的常温下无电阻导线材料，产生电力传输上的颠覆性转变，使磁悬浮或者高速列车成为现实。与此同时可能够用来生产制造效率更高的电动汽车，增强电动机器设备的性能。那时候，汽车引起的环境污染也就大大减少了。金属氢还是一类亚稳态化学物质，能够用它来制成约束等离子体的“磁笼”，把炙热的电离气体“盛装”起来，那样，受控核聚变反应使原子核能转化成了电能，而这类电能将是低廉的也是环保的，在地球上就会便捷地建设起许多“模仿太阳的工厂”，人们将终究彻底解决能源问题。

　　而在行星科学家认为，像木星那样的气体巨行星的內部也拥有着非常高的压力，所以其內部很或者也是由类似固态氢的化学物质构成。所以，根据人为因素生产制造超高压来压缩成氢气，也可以协助科学家掌握气体巨行星的内部构造。