氫氣也能“點氣成金”

鄔裔

在美國國家點火裝置（NIF）實驗室中，小小測試室里的氫樣品正承受著巨大的壓力。壓力是如此巨大，以至于氫氣改變了狀態(tài)，變成了液體。不過，這才只是開始，在壓力逐漸變得更大時，小液滴還要經歷一系列的變化。

氫是宇宙中含量最多的元素，木星和土星等氣體行星的主要組成成分就是氫，不過在行星內部，氫的存在形式并不是氣態(tài)的，而是金屬氫。因此，小小的氫液滴的變化可以告訴我們很多關于木星和土星等行星的情況。同時，固態(tài)的金屬氫將會是一種神奇的未來材料，它可以作為燃料，讓航天器飛得更遠;還可以作為超導體，讓電流毫無阻力地流動。

簡單物質的多種狀態(tài)

氫有三種同位素：氕、氘、氚，自然界中99.985%的氫為氕，它有著世界上最簡單的原子結構，一個質子外圍繞著一個電子。另外，氘的原子核由一個質子和一個中子組成，在大自然中的含量一般約為所有氫元素的七千分之一。而氚的原子核由一個質子和兩個中子組成，它具有放射性，在自然界存在極少。在實驗室里，還可以用人工方法合成氫的另外4種同位素： 氫4、氫5、氫6、氫7。

在我們的自然界中，氫主要以氫氣的形式存在，它由兩個原子結合在一起，形成一個分子。不過，隨著壓力和溫度的改變，原子的密度和排布都會改變，因此氫實際上有多種狀態(tài)。在常壓下當溫度降低到-252.88℃時，氫就會成為液體，再降低到-259.125℃時，氫就會變?yōu)楣腆w。

但是在高溫下，隨著壓力增加，氫氣會先變成清澈的液態(tài)氫，此時分子可以自由地流動;再變成一種不透明的液態(tài)氫，此時液體內部既有分子也有原子;最后分子鍵完全斷裂，變成一種由原子組成的液態(tài)金屬氫氣。最后隨著壓力增大，氫原子核整齊排列在一起，電子可以自由地移動，此時為固態(tài)金屬氫狀態(tài)。

目前，研究人員的重點在于液態(tài)和固態(tài)的金屬氫。2018年8月，美國NIF實驗室的研究人員找到了將氘轉變?yōu)榻饘傩问降臏蚀_方法，條件為726.85℃以上的溫度和200萬大氣壓力。盡管實驗室中的液態(tài)金屬氫十分不穩(wěn)定，但是可以讓研究人員了解一些液態(tài)金屬氫的性質，比如液態(tài)金屬氫是否是一種超流體液體。

如果液態(tài)金屬氫是超流體液體，它將對科學家理解氣體行星內部的運動模式和外部磁場情況起到至關重要的作用。據天文學家推測，木星和土星等氣體行星的內部存在著液態(tài)金屬的海洋，這些巨行星的80%是由液態(tài)金屬氫構成的，而不是單純的氣體。在超流體液體中，粒子流動不會遇到任何阻力，一旦液體開始運動，便可以無限地運動下去，這很可能是木星具有強烈磁場的原因。

尋找固態(tài)金屬氫

制造固態(tài)金屬氫的道路雖然任重道遠，但是一旦成功，就將帶來金屬氫研究領域的重大飛躍。

固態(tài)金屬氫的研究始于1935年，當時美國物理學家尤金·威格納和希拉德·亨廷頓預測，在超大的壓力下，氫氣可以轉化為具有金屬性質的固體物質，而且原子結構要緊湊10倍。同時固態(tài)物質一旦產生，即使在常壓下也能保持其狀態(tài)和金屬性質，就好比鉆石一樣。鉆石由碳在地球內部的高壓和高溫下形成，當鉆石從地下被開采出來時，它仍能保持緊湊的原子結構，而不是膨脹成石墨。

科學家最接近成功的一次是在2017年，美國哈佛大學的科學家在極低的溫度下，利用金剛石對頂砧（由相對的兩顆金剛石和密封墊組成，樣品置于金剛石和密封墊中央）對氫樣品施加了495萬倍的大氣壓力（地核壓力為大氣壓的360倍左右）。隨著壓力的逐漸加大，氫從一種不能導電的透明絕緣體轉變成一種黑色半導體，最后轉變成一種光澤耀眼的金屬固體。此時，氫原子之間的作用力轉化為金屬鍵，氫核外的電子擺脫了束縛，原子核共享一群電子。

令人遺憾的是，這顆世界上唯一的金屬氫存在僅一個月左右就消失了。固態(tài)金屬氫生成后便一直被保存在金剛石對頂砧中，在樣品被送往美國阿貢國家實驗室之前，研究人員想利用激光最后測試一遍壓力，結果造成金剛石破碎，固態(tài)金屬氫樣品就這樣摻雜在金剛石的碎屑中，找不到了。現在科學家們一直在改進和重復該實驗。

未來的技術革命

今天，許多火箭都是由液氫（在一個標準大氣壓，溫度為-253℃的條件下，液化制備而成）驅動的，如果我們使用固態(tài)金屬氫作為燃料，當它燃燒時，會先從固態(tài)轉化為氫氣，此時，固態(tài)金屬氫變成氫氣時的能量都將被釋放出來，然后再燃燒。因此，與液氫燃料相比，這種超級金屬能夠產生更大的能量。研究人員預測，固態(tài)金屬氫的效率是液氫的3.7倍。

現代火箭往往要在太空中航行很長一段時間，因此需要很多燃料，為此需要裝備有巨大的燃料箱，火箭往往很大。一旦固態(tài)金屬氫研制成功，未來的火箭可以變得更輕便更高效，大大降低太空航行的難度和成本。

除了作為燃料，固態(tài)金屬氫的另一重要應用是作為超導體。目前的超導體必須用液氮冷卻到-269℃才能保持極低的電阻率，這既昂貴又需要能量。然而根據理論預測，固態(tài)金屬氫是一種室溫下的超導體，電阻率為0。這可能為一場技術性革命鋪平道路，我們可以將來自綠色能源的電儲存在由固態(tài)金屬氫組成的大型超導線圈中，由于電阻率完全為0，電流在其中流動不會消耗任何能量，可以一直流動下去。

雖然研制固體金屬氫、并實現商業(yè)量產化的道路看上去還很長，但每個新技術的開始都是困難的。隨著近幾年該領域的突破，相信我們很快就能在室溫下看到氫金屬塊了。