張菲紅

金屬氫氫元素的一種存在狀態，但不要認為金屬氫是固體的，其實大部分情況下，金屬氫都是液體（想想水銀）。

為什麼叫“金屬”？

金屬氫之所以被稱為“金屬”，是因為氫原子的唯一電子使得它可以表現得就像金屬一樣可以導電（想想IA族其他金屬元素如鋰、鈉、鉀等性質有一定的相似性質），但不同的是金屬氫是一種超流體，具有超導性質（沒電阻）。

在高壓和高溫下，金屬氫才可以液體而非固體形式存在，科學家們認為，木星、土星和一些大型的氣態行星因為內部重力形成的高壓就會在其大氣層下深處形成大量的金屬氫。

上圖：從透明的氫氣轉變為由原子緊密結合成的金屬氫。只有鑽石可以耐受這個壓力強度。

金屬氫人工製造出來了嗎？

• 1996年，衝擊波壓縮實驗偶然製造出金屬氫
  

1996年3月，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的一組科學家報告說，他們偶然地首次製造出了金屬氫，在數千開爾文的高溫下壓力大約為1 微秒，壓力超過1,000,000個大氣壓，密度約為為0.6克 /釐米3。他們沒有想到會產生金屬氫，因為他們並不需要在實驗中使用金屬氫——只是個副產物，何況這實驗的運行溫度已經高於氫金屬化的理論溫度上限。之前的研究將固體氫氣放在金剛石砧內壓縮至高達2,500,000個大氣壓都沒有檢測到金屬氫的存在。

• 2009年，Zurek等人首先通過理論預測六氫化鋰構成的合金可以在金屬氫穩定存在所需四分之一的壓力下形成穩定金屬，並且推測類似的金屬氫合金，也就是說諸如XHn這種化學式（其中X是鹼金屬）的金屬氫合金也應該有類似的效果。後來在八氫化錒( AcH8)和十氫化鑭(LaH10)中證實了這一點，其超導相變溫度接近270K（零下3.15攝氏度左右），這讓人們猜測其他化合物甚至可能使得金屬氫可以在僅更低的壓力和室溫下實現超導。

  
  

• 2011年，Eremets和Troyan報告在2,600,000-3,000,000個大氣壓下觀察到氫和氘的液態金屬態。但2012年，有其他研究人員質疑了這一說法。

• 2015年，科學家在Z脈衝功率設施上使用稠密液體氘製造除了金屬氘。

• 2016年10月5日，哈佛大學的Ranga Dias和Isaac F. Silvera 發佈了實驗證據的聲明使用鑽石砧構成的微孔單元在實驗室中以約4,890,000個大氣壓的壓力下合成了固體金屬氫。隨著壓力的增加，研究人員親眼看到樣品從透明變暗，最後變為帶光澤的金屬色。此結果發表在《自然》雜誌上。但這個團隊沒有測量它們製備的金屬氫是液體還是固體，以及是否導電，因為他們害怕過多的測量會在論文發佈之前破壞樣本。

  
  這個實驗製備了地球上唯一的金屬氫樣本，但在2017年2月，這個寶貴的全世界唯一的金屬氫樣本卻因設備事故“人間蒸發”了。

上圖：網絡媒體報道《世界上唯一的金屬氫樣本消失了》

哈佛大學的製備的這丁點金屬氫是世界上唯一穩定保存的金屬氫樣品。這份金屬氫氣的儲存溫度約為80開爾文（-193攝氏度和-316華氏度），而用來保存樣品的兩塊鑽石之間的壓力非常高。

事故發生在2月11日，當時該團隊正準備將這個珍貴的樣品打包並運送到芝加哥的阿貢國家實驗室進行進一步測試。原因可能是之前的一次測試導致鑽石產生了破裂（鑽石都能破裂？！OMG），從而導致裝置失壓，研究人員就再也沒看到原來的金屬色。

但這並不一定意味著製備的金屬氫已經被破壞，因為樣品厚度僅為1.5微米左右，鑽石微孔單元的直徑為10微米——是人類頭髮直徑的五分之一（兩塊鑽石凹凸相互擠壓）， 因此這些金屬氫也可能仍然保持穩定並聚集在某處，只是沒找到而已。但另一種可能性是，鑽石砧的壓力洩掉，氫氣就會變回氣體，這表明金屬氫在室壓下無法穩定——這是研究預測的情況之一。

上圖：金屬氫的形成過程和原理示意。從左到右，依次從透明的分子氫到黑色的氫半導體再到原子化的金屬氫。

• 2019年6月，一個法國研究團隊聲稱使用環形剖面DAC使在425吉帕的壓力下製造出了金屬氫。

為什麼爭著製造金屬氫？

因為金屬氫有這些潛在的用途：

• 常溫超導，這個前面提到了，某種金屬氫的合金可能實現在常溫的超導特性；
  

• 一種非常好的量子液體——金屬氫可能具有量子態，而不能被認為是通常意義上的超導或超流體。 但它們可能被確定為兩種新型的重疊態量子流體：超導超流體和金屬超流體，專家估計這兩種超流體會對外部磁場和旋轉具有非常不尋常的反應。還有人提出，在磁場的影響下，氫可能表現出從超導性到超流性的相變，反之亦然。因而可以用磁場來操控超流體的相態。

• 高能量的火箭燃料，因為壓縮的氫原子之間存儲了巨大的電位勢能，而氫本身密度很小，如果能夠製備成為常溫燃料，那其化學能量密度是沒有其他任何化合物可以比擬；

上圖：以液氫冷卻的金屬氫燃料單級火箭的各種參數預估。

結語

人類在實驗室類已經多次成功地以不同的方式製造出了金屬氫。液氫具有非常多實用價值，我們可以期待在未來數年內科學研究在液氫的製造方面有所突破。

小宇堂

2017年初，哈佛大學研究人員在《科學》上發文稱，在高壓低溫下發現了金屬氫，一時轟動科學界。如果這屬事實，那麼他們毫無疑問將獲得諾貝爾獎。

金屬氫是一種傳說中的物質。元素有金屬與非金屬的差別，金屬一般具有導電性，卻具有金屬光澤，基本在常溫下為固體（只有汞為液體）；非金屬，則一般為絕緣體，只有極少數屬於導體（如碳）和半導體（硅）。

但按照粒子的構成，元素之間是能夠在壓力之下進行轉換的，也就是說，金屬可以變非金屬，非金屬也可以變成金屬。如在大約20年前，分子氧已經被證明在大約100萬倍大氣壓下變成了一種金屬。

那接下來的問題就來了，氫，這種非金屬，能變成金屬嗎？

80年前，科學家們就做出了這樣的結論，但直到今天，我們還沒有親眼見到過金屬氫。按照科學家們的論斷，在太陽等恆星，以及行星內核，都有金屬氫的存在。

理論應該是正確的，那麼怎麼才能把氫變成金屬氫呢？

首先是極高的壓力，大約相當於488萬個大氣壓，然後還需要-200°上的低溫，才能得到金屬氫。哈佛大學正是在這一溫度下宣佈製成了金屬氫的。

樣品鏡下圖（205Gpa還是透明的液態氫，415Gpa不透明固態氫，495Gpa變成金屬）

這是一個很神奇的過程，氫原子在高壓之下排列越來越緊密，越來越緊密，最終它們肩並肩地佔到了一起，最終也從透明變成了不透明。

金屬氫如果一旦能夠製備，那人類的材料史將會向前邁進超級一大步。

金屬氫是一種類似金剛石（鑽石），具有亞穩態的特性，即一旦形成，就不會再變回氣體氫。而金屬氫因為沒有電阻，所以人類可以用它來實現夢寐以求的0損耗輸電。

同時，以為金屬氫裡含有超級大的能量（形成過程耗費極大能量），所以它將是人類能源史的一次革命。火箭飛天如果用金屬氫，那去個火星將不再困難。

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科學重口味

美國哈佛大學的蘭加·迪亞斯博士和艾薩克·西爾維拉教授成功地將氫氣冷卻到-268℃，同時將其壓縮到令人震驚的480萬個大氣壓。

難以置信的高壓是通過使用鑽石砧座實現的。但這不是一個簡單的方法。多年來，科學家們一直試圖應對這種壓力，直到現在科學家們才做到正確的設置。

金屬氫以前從未製造過，因為鑽石在達到足夠高的壓力之前就已經失效了，科學家不使用天然鑽石，而是使用非常均勻的合成鑽石，天然鑽石具有不均勻性、內部缺陷和雜質。

標準狀態下氫是一種分子氣體，其原子成對結合，每個原子與另一個原子共享一個電子。當氫被放在鑽石砧座之間時，壓力增加。

在320萬大氣壓的壓力下，氫氣變得不透明(因此得名黑色氫)並且也是半導體。但是隻有更高的壓力才能破壞分子鍵併產生金屬氫相。這種氣體似乎變成了金屬，具有金屬原子所具有的預期特性。科學家認為金屬氫是固體，但無法通過實驗證實這一點。

確認該實驗是否可重複非常關鍵。雖然美國科學家非常自信，但其他人對此表示懷疑。

氫的這一特殊階段最早是在1935年由魏格納和亨廷頓預測出來的，從那時起，實現這一點就成了“高壓物理學的聖盃”。但是維格納和亨廷頓對必要壓力的估計是錯誤的。他們認為金屬氫可以在250000個大氣壓的壓力下獲得，幾乎比哈佛研究人員聲稱的要小20倍。

為了科學，創造金屬氫的能力不僅僅是科學的勝利。理解宇宙中最豐富元素的金屬性質具有多學科影響。

金屬氫被認為在壓力消除後在室溫下是亞穩定的，因此可以用於核聚變。它也被認為是高溫超導體，如果得到證實，這將是一個超級性的突破。甚至天文學也可能從這一發現中受益——木星、土星和系外行星的核心可能由金屬氫構成。

軍機處留級大學士

還記得初高中化學課上背元素週期表的恐懼嗎？不僅僅要按照順序橫著背，還要按照族豎著背。其實這是有道理的，橫著按照順序背可以記住原子序數，而豎著的一族具有相似的性質。氫所在是第一主族，還有其他鋰、鈉、鉀銣、銫、鈁，除了氫之外其他都是金屬元素。

所以在上個世紀八十年代就有學者提出通過物理手段把氫變成金屬氫說法。在2017年1月份來自哈佛大學的物理學家艾薩克·席維拉研究團隊宣佈，他們成功製造出了金屬氫，廣受關注。金屬氫具有特殊的性質兼具金屬特性，可以進行遠程輸電，效率非常高。如果真的成功量產金屬氫，那將是一次空前絕後的技術革命。

但後來該團隊宣佈製造的金屬氫消失了，而至此之後就再也沒過關於金屬氫的技術突破或者重要消息出來。製作金屬氫也是非常困難的，需要極端的環境，超高的壓力和超低的溫度。該團隊製作金屬氫的方法也很特殊，首先需要兩個金剛石壓砧，相互之間的受力面積非常小，大約在50微米左右，不及一根頭髮絲的直徑。

關鍵字: 金屬 氫氫 科學