岩浆中的巨大能量——流体金属氢

Posted 2021-03-21

来源：中国科学院合肥物质科学研究院
　　氢，是元素周期表中位于第一位的元素，好像天生就有不同寻常的地位。这个自然界中最小的原子，具有怎样不同寻常的“大神通”呢？我们带大家走进氢的世界，回顾氢的前世今生，展望氢的未来。
　　在十六世纪氢气的发现过程中，氢似乎就具有不一般的特性：“把铁屑投到硫酸里，就会产生气泡，像旋风一样腾空而起”。英国化学家卡文迪什发现，如果把它和空气混合在一起，一遇火星就会爆炸。1787 年，法国化学家拉瓦锡正式提出“氢”是一种元素，因为氢燃烧后的产物是水，便用拉丁文把它命名为“水的生成者—<em>Hydrogenium</em>”。
　　其实从这些早期最基础的研究中，已经可以直观地了解到氢的种种特性：第一，容易大量产生；第二，能够燃烧和爆炸；第三，生成物是水。这表明，一种新型的易生产的绿色高能燃料被发现了。这就是氢——一种即将对人类的今天以及未来产生重大影响的元素。
　　现在，氢已经成为一种重要的工业原料，全世界生产的氢气约有2/3 用于合成氨工业；氢气在氧气中燃烧的氢氧焰达 3000℃高温，可用于熔融和切割金属；利用氢的同位素氘和氚的原子核聚变时产生的能量能生产氢弹；液态氢，作为最理想的火箭燃料，与液态氧混合燃烧可以产生大约等于 350 的比冲量；美国于 2002 年提出了“国家氢动力计划”，短短十几年来，氢燃料电池已经在高速车辆、巴士、潜水艇等现代交通工具上实现了应用。
　　然而，这远远不是氢的利用极限，近一百年以来，科学家为另外一件事进行了前赴后继的研究，这就是“金属氢”。1935 年，普林斯顿大学 Wigner 和 Huntington 预言，在一定的高压下，氢可能会变成一种碱金属；1968 年，Ashcroft 提出疑问，根据 BCS 理论，金属氢可能是一种高温超导体。根据最新的研究进展，实验室已经合成了超导转变温度 200 K 以上的氢化物高温超导材料，被 <em>Nature </em>杂志选为 2019 年十大科学突破。金属氢的室温超导梦，或许真的可以实现。
　　然而，金属氢的合成异常困难，金属氢的研究也在争议中曲折前进。单纯就合成条件而言，室温下合成金属氢需要高于 400 GPa 的极端压力，这甚至远高于地核中心 360 GPa 的压力。2017 年，哈佛大学研究团队曾宣布合成了人类历史上第一块金属氢，然而这一结果在当年 8 月国际高压科技会议上被多位科学家质疑。而 2019 年德国科学家的最新研究结果表明，处于同压力下的氢可能还是半金属。
　　为解决以上难题，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所极端环境量子物质中心的科研团队（以下简称“量子中心团队”）结合金刚石对顶砧装置和脉冲激光加热技术，寻求极端高温高压条件下合成流体金属氢的可能性。
　　研究发现，在压力-温度的共同驱动下，氢分子会逐步解离为氢原子，并伴随发生绝缘体-半导体-金属的转变。超快宽带超连续光谱帮助研究人员原位测得了氢样品在连续相变过程中的吸收特征和反射特征。
　　经过对多轮实验结果的分析，结果显示 150 GPa-3000 K 以上的温度压力条件下氢样品出现了强烈的金属反射光泽，其反射率最高达 50%，证明合成了流体金属氢。“金属氢”被认为是高压领域的“圣杯”，其研究在过去几十年里一直推动高压实验技术和理论模拟的不断发展完善。流体金属氢的成功合成，得益于高温高压实验技术与超快光谱探测的完美结合，这是继 2018 年量子中心团队成功合成高能材料“金属氮”以来，在轻物质的绝缘体-金属转变研究上又一突破。
　　金属氢能够帮超导材料甩掉低温的包袱，使其在更广泛的环境中得到应用，比如用金属氢输电，可以取消大型的变电站而输电效率在 99% 以上，大大提高了全世界电量的利用率，降低了输送成本；如果用金属氢制造发电机，其重量不到普通发电机重量的 10%，而输出功率可以提高几十倍乃至上百倍。不仅如此，金属氢更是一种绿色高能燃料，是目前已知的含能密度最高的常规燃料，其能量储存在化学键中，无需氧气助燃即可释放大量能量，如果能够组成燃料电池应用于现代交通工具，城市将变得十分清洁。
　　或许，金属氢宝藏的大门已经缓缓向我们打开。