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【焦点热闻】金属氢要被“玩坏”了

来源：科普中国

氢元素是宇宙中含量最多的元素，并且它也是元素周期表中第一种元素，隶属于第一主族。


(资料图)

在高中化学中，我们知道第一主族是碱金属，比如锂、钠、钾、铷、铯、钫等，都是非常活泼的金属，可位于第一主族第一位的氢元素却有点格格不入，因为它表现出的是非金属性质。

但科学家认为氢作为第一主族的元素，应该有可能具有金属的性质。

早在1935年，理论物理学家尤金·维格纳（Eugene Paul Wigner）就曾作出预测，随着压力的增加（大约要达到地球表面大气压的400万倍），固态氢将会呈现出导体的性质，这也意味着此时的氢可以导电。

随着这一预测的提出，世界各地的科学家都试图来寻找金属氢，但要创造如此高的压强来验证理论是极其困难的。

经历了半个多世纪，科学家虽然依旧没有窥见金属氢的真容，但法国、美国和德国的许多科研团队在压缩氢、以及探测氢在高压下特性等方面已取得了长足的进展。

金属氢的首次出现

直到2017年1月，来自哈佛大学自然科学系教授伊萨克·席尔瓦拉（Issac Silvera）和他的博士后研究员兰加·迪亚兹（Ranga Dias）宣布他们发现了这个星球上最有价值的材料：金属氢。

相关论文发表于1月26日出版的《科学》杂志上。

而为了得到这种极其稀有的材料，寻常的方法肯定是做不到的，因此科学家发明了一种金刚石压砧（Diamond Anvil Cell，简称DAC）的方法。

简单来说，压强是物体所受压力与受力面积之比，当我们施加的压力达到极限的时候，可以通过减少受力面积来增大压强。

不好理解的可以想象下女孩子用圆头鞋踢你疼还是用尖头鞋踢你更疼...

席尔瓦拉和迪亚兹正是运用了金刚石压砧，在超低的温度下，他们将一小块氢样本放在了金刚石的砧面（金刚石的尖端，直径大约为50微米），并设置了红外光测量氢的反射率，来判断它是否金属化。通过不断施加外力，两颗金刚石之间的压强最终达到了495Gpa。

在如此高的压强下，他们惊喜的发现原本黑色的固态氢逐渐变得具有金属光泽，样品的反射率也从黑色变为高反射率，这正是金属具有的特性。

样品氢在不同压强下的状态：透明态、不透明态和金属态

不过这一研究发表后，也有科学家提出了质疑，认为他们发现的金属光泽或许不是来自于金属氢，也有可能是来自于氧化铝，因为实验之前席尔瓦拉团队在金刚石表面镀上了一层氧化铝以防止氢扩散到金刚石晶体结构中。

面对这些质疑，最好的反击方式当然是实验数据，因此席尔瓦拉团队准备继续观察金属氢的更多特性，可当他们用低功率激光器测量压力的时候，却传出了一声微弱的“咔嗒声”，这是其中一块金刚石没有承受住如此高的压强而碎成了粉尘，这也意味着唯一一块金属氢样本随之消失了。

金属氢的再次出现

时隔两年之后，由法国原子能委员会Paul Loubeyre领导的研究小组宣布他们几乎发现了金属氢的存在。

欧洲同步加速器实验室

这项研究最早出现在arXiv物理预印本上面，六个月之后，该研究正式发表在最新的《自然》期刊上。

与哈佛大学席尔瓦拉团队类似， Loubeyre和他的团队也是采用“金刚石压砧”的方法，只不过他们进行了改进，设计了一种新的金刚石压砧，称为“环形金刚石压砧”，这种金刚石的尖端设计可以承受更高的压强，免得像之前一样，金刚石扛不住过高的压强而粉碎。

通过实验，Loubeyre发现了氢样本在不同压强下对光的反射率。

当压强为1Gpa时，样品氢对于可见光和红外光都是透明的；

图源：nature

当压强升高至300Gpa时，样品氢变成固态，可见光已经不可穿过，只有能量比可见光更低的红外光可以穿透固态氢。

图源：nature

随着压强增加到425Gpa时，固态氢的反射率急剧增大，这时候，可见光与红外光都不可穿透，这也意味着此时的固态氢可以阻挡所有的光，已经变的不再透明。

图源：nature

而研究人员认为，固态氢在极端压强和低温下呈现出的光学反射率不连续且可逆的变化，正是固态氢变成金属氢的一个有力证据。

只不过这还不能作为金属氢出现的“实锤证据”，实际上，研究人员也没有断言他们观测到的就是金属氢，就像他们论文标题所指出的，他们发现的是“固态氢可能过渡到金属氢”的证据。

中心的红色部分可能是金刚石中分子变化而是不是氢造成的

现在来说，如果真要证明金属氢的存在，其实只需在高压低温下对氢样本的导电性进行测试，如果氢样本可以展现出高水平的导电性，那么基本上就可以证明金属氢的存在。

然而，要给这种状态下的氢样本做导电测量是一件很难完成的事，因为这意味着金刚石的尖端需要连上微型电极，并将电极与少量的固态氢接触，目前来说，很难做到如此精确的连接。

虽然Loubeyre的实验还无法给出“我们已经创造了金属氢”这样结论性的科学声明，但该领域的科学家普遍认为这一实验结果几乎是证明金属氢产生的决定性证据。

或许现在，金属氢还只能存在于金刚石压砧中，但再过个十年乃至二十年，金属氢将在太阳的照耀下熠熠生光。

关键词： 金属光泽 研究人员 哈佛大学

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