一種合成金屬氫的新思路

摘 要：文章介紹了金屬氫的研究意義、應(yīng)用前景與高壓試驗方法。簡明回顧了金屬氫的研究歷史與進展。提出了一種在傳統(tǒng)方法中引入化學(xué)方法的新思路。

關(guān)鍵詞：合成金屬；氫；實驗方法

1 概述

氫是周期表的第一號元素，室溫常壓下其單質(zhì)為氣態(tài)的雙原子分子H2。使氫在極高壓下變成金屬的想法由來已久，1935年Wigner和Huntington從理論上證明金屬氫的存在的可能性，并預(yù)言在25GPa高壓下，氫分子組成的固態(tài)氫將轉(zhuǎn)變成呈現(xiàn)出金屬性質(zhì)的同素異形體金屬氫。[1]此后的實驗表明，對壓力的最初估計不足，使氫金屬化需要更高的壓力。

金屬氫有重要的理論與應(yīng)用價值，在木星等天體中氫是主要成分，金屬氫也被認為會存在于這些大質(zhì)量的行星內(nèi)部研究金屬氫的性質(zhì)，對于了解和解釋它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和強磁現(xiàn)象是很重要的。Ashcrof曾提出金屬氫可能具有很高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，是一種很理想的超導(dǎo)材料。金屬氫的高密度特點也使其成為一種理想的儲氫方式、高能燃料。因此如果能用人工的方法合成出金屬氫，將有特別重大的意義。

2 金屬氫研究的歷史回顧

2.1 實驗方法

產(chǎn)生金屬氫的實驗方法是對H2施加高壓。壓縮H2的實驗技術(shù)分為動態(tài)壓縮法和靜態(tài)壓縮法，動態(tài)壓縮法以利用爆炸沖擊波產(chǎn)生的瞬間高壓和迅變高磁場產(chǎn)生的瞬間高壓為主，優(yōu)點是產(chǎn)生的壓力很高，但也有缺點，一是實驗費用昂貴，二是沖擊波壓縮以絕熱方法進行，大部分能量轉(zhuǎn)化為熱，使樣品溫度升得很高，這時很難說氫是固態(tài)還是等離子體。1962年英國劍橋大學(xué)的福勒就曾推測，在足夠的溫度和壓力下，分子氫可能會轉(zhuǎn)變成一種致密的等離子體，即離子化的氣體；三是由于其沖擊波壓力持續(xù)時間短，只有0.1～1.0μs，使許多深入的物理測量很難進行。

因此現(xiàn)在更多采用的是靜態(tài)壓縮法中的金剛石壓砧（DAC）技術(shù)，DAC技術(shù)的優(yōu)點是不僅可以持續(xù)產(chǎn)生高達300GPa的壓力，而且由于金剛石窗口可透過高能X射線、γ射線和低能紫外線、可見光、紅外線，因此通過它可以進行光吸收和反射、拉曼和布里淵散射、X 射線和中子衍射等各種物性測量和相變研究。DAC設(shè)備并不大，只是2塊金剛石靠在一起，中間有線度為幾十微米的空間放置固態(tài)氫。

在上述的方法中，要求的壓力極高，現(xiàn)有技術(shù)條件下以至于樣品空間小、產(chǎn)量低，無法進入實用狀態(tài)，因而迫切需要研究一些降低金屬氫轉(zhuǎn)變壓力的方法。1971年Gilman提出把氫置于介電常數(shù)較大的媒質(zhì)中（如常壓下穩(wěn)定的LiF），可以降低金屬氫轉(zhuǎn)變壓力，得到的LiH2F也可能具有超導(dǎo)性，且超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度相當(dāng)高。1983年，Carisson和Ashcroft提出添加雜質(zhì)或缺陷以降低價帶和導(dǎo)帶間的能隙，并提出用過渡族金屬元素最合適，另外用強光源照射（如激光或同步輻射光源）可以產(chǎn)生電子-空穴對，從而在固氫中產(chǎn)生負壓力，起到降低外壓效果。

2.2 進展

隨著超高壓技術(shù)的發(fā)展，已能在金剛石對頂砧（DAC）上產(chǎn)生250～300GPa的靜態(tài)壓力。1978年，美國卡內(nèi)基研究所地球物理實驗室毛河光等人在DAC上壓力達172GPa后，率先進行了該壓力范圍的物性測試。1988年毛河光等人取得了突破性進展，發(fā)現(xiàn)固體氫在150GPa壓力和77K低溫條件下發(fā)生相變，新相被稱為Ⅲ相或H2A 相。1989年，毛河光小組把壓力提高到250GPa，證明氫仍是分子態(tài)，在250GPa以上，發(fā)現(xiàn)氫樣品變黑，成為不透明，氫分子是否拆鍵還有待證實。[2]

3 新思路

傳統(tǒng)方法一直試圖通過高壓使共價鍵斷裂，將氫分子解離成氫原子轉(zhuǎn)化為金屬氫。化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生新物質(zhì)的本質(zhì)是舊化學(xué)鍵斷裂和新化學(xué)鍵形成的過程，但超高壓使化學(xué)鍵斷裂的效果并不好，即使在250GPa的壓力下，氫分子中的共價鍵也沒有斷裂。而這個問題興許可以通過引入化學(xué)方法巧妙的解決。

高壓難以破壞的共價鍵，可以用簡單的化學(xué)反應(yīng)破壞。例如氫氣的不穩(wěn)定同素異形體三原子氫，就可用低壓放電管制備。[3]將高壓和電化學(xué)反應(yīng)結(jié)合起來，可能會產(chǎn)生新的突破。

舊鍵斷裂必然伴隨著新鍵產(chǎn)生與新物質(zhì)的生成，用化學(xué)方法打破H2的共價鍵意味著氫元素也會參與反應(yīng)，產(chǎn)生其他物質(zhì)，所以除了H2產(chǎn)生三原子氫的反應(yīng)外，其他化學(xué)反應(yīng)似乎無法利用。但我們不妨逆向思維：不是把H2置于高壓下，而是把產(chǎn)生氫單質(zhì)H2的化學(xué)反應(yīng)置于高壓下進行，相當(dāng)于直接壓縮反應(yīng)中間體，繞開了使H2共價鍵斷裂的問題，在高壓下可能產(chǎn)生新的氫單質(zhì)，例如金屬氫。

3.1 化學(xué)方法

將產(chǎn)氫的化學(xué)反應(yīng)置于高壓下進行，在高壓條件下產(chǎn)生的氫單質(zhì)可能不是氫氣H2，而是氫的其他同素異形體。可能利用的產(chǎn)氫反應(yīng)如碘化氫的分解、水的電解、酸與金屬的反應(yīng)等。

3.2 電方法

雖然250GPa的高壓也無法破壞H2的共價鍵，但低壓放電管中卻可以產(chǎn)生一種氫的同素異形體：H3。用里德伯光譜可直接測定H3的結(jié)構(gòu)， 它的三個氫原子核排列成一個等邊三角形，這是一種極不穩(wěn)定的氫單質(zhì)，存在時間極短。但可能對于合成金屬氫具有潛在價值。

參考文獻

[1]Wigner E， Huntington H B. J. Chem. Phys.，1935，3：764.

[2]陳良辰.金屬氫研究新進展[J].物理，2004，33（4）：261-265.

[3]Naturwissenschaftliche Rundschau，1981.

作者簡介：胡一凡（1991，5-），男，北京人，本科，研究方向：物理實驗。