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科学家有史以来第一次创造出金属氢!

氢现在是一种金属了

科学家早就怀疑氢可以在宇宙的某些地区以金属状态存在,但这是第一次在地球上创造出金属氢,而这个材料甚至比科学家所想像的更奇怪且更迷人。

来自哈佛大学的首席研究员艾萨克‧席维拉(Isaac F. Silvera)说:这是高压物理学的圣杯,是地球上第一个金属氢的样品。所以当你在观看它时,你正在看着以前从未存在过的东西。

但回到1935年,研究人员预测在某些条件下,这个普通且经常被研究的元素可以让它的原子如此紧密地结合在一起。这个材料不仅仅具有金属特性,而且实际上可以变成金属。

但这些条件并不容易达到,涉及到在极低温下达到惊人的高压。这是为什么超过80年,尽管无数次的尝试,没有人能够证明是有可能的,直到现在。

席维拉告诉澳洲科学新闻网志科学警讯(ScienceAlert):最令人兴奋的部分是我们把氢气加压到足够的高压,然后看见它转变成金属。

他解释:氢从透明到不透明且黑色,然后突然变得有光泽;我们实际上可以看到它变成金属。

你可以在下面看到这个第一次在地球上出现的材料:

Silvera et al

作为物理世界中的概念验证,这不仅仅是令人兴奋的,虽然它绝对是。几年来金属氢一直是许多推测的来源,因为它被预测有一些惊人的特性。

最重要的是,物理学家认为金属氢可能是室温下的超导体,意味着这个材料能够以零阻抗来导电,而且不需要在一开始就被冷却到疯狂的低温。

我们已经知道有很多超导材料,我们利用它们在核磁共振(MRI)机器和磁浮列车产生强大磁场,但它们只能在摄氏负269度(华氏负452.2度)以下达成超导性。对于许多用途而言,这使得它们很昂贵且不实际。

如果科学家可以在室温下达到同样的超导性,那将是一件大事,因为这意味着我们可以创造出像是电力线这样的东西,在电厂和住家之间不会损失任何电力。现在,由于阻抗的原因,电力网以热量损失高达15%的能量。

为了要弄清楚,席维拉和研究小组所创造出的金属氢只有1到1.5微米厚,直径为10微米,因此它是非常的小。

在同行评审确认他们的样本真的是金属氢之前,他们犹豫是否要在这上头执行很多次的测试。因此,我们目前没有证据来表明这个材料是一个超导体,这将是未来几个月要进行的调查。

但对于现在,我们知道样品是真的,而且自10月份以来,它在席维拉的实验室中一直是稳定的。

研究人员声称在过去已经做到金属氢的初期阶段,甚至声称是金属氢本身的证据;但这些报告从未得到验证。这个最新的声称现在有机会被评论家戳破,但到目前为止,这个样品经得起所有相关的金属测试。

为了要做出样品,研究小组把氢气困在一个微小的钻石空间内,冷却至凯氏5.5度(摄氏负267.65度或是华氏负449.77度),并且置于惊人的高压下。

Silver et al

然而在我们说高压时,意思是说高的大气压力。回到1935年,当时预测金属氢会在25吉帕斯卡(gigapascal,GPa)的压力下出现。但席维拉和研究小组最终在465和495吉帕斯卡之间的压力下达成,比最初的预测高出将近20倍。

研究小组很快地看到它的外观变化,但是为了要验证他们所创造出来的是金属氢,他们使用光谱测量,包括测量它的反射比(reflectivity),并且显示出这个反射比是最初一个标准氢气(H2)转变成一个原子金属。

你可以在下面看见不同的原子结构:

Silver et al

既然我们知道金属氢存在,有很多问题尚待回答;最大的问题是,金属氢究竟是液体还是固体。如同研究人员所预测,它可以都是。

到目前为止,席维拉和研究小组相信他们所创造出来的是固态。但对已被验证的材料,他们现在正在进行更详细的分析。

他们还对这个金属氢通电流,来测试它在室温下是否真的是超导体。这是有可能的,无论是液体、还是固体。

实在很怪异,席维拉表示金属氢也有可能是介稳状态(metastable),意味着即使你释放出压力,它将继续保持金属态。

介稳材料常见的例子是钻石,它是碳的介稳状态的一种。为了要做出钻石,你把石墨(graphite)放在惊人的压力和热之下,一些自然发生在地球表面下方深处的情况。

但即使你把钻石挖出地面,他们依旧是钻石。

相同的情况对于金属氢可能是真的。然而一旦对样品进行所有其它的分析之后,还会进行测试,以防万一预测是错误的。并且在压力被解除时,金属氢会消散,回归成气体 。

席维拉说:我们将研究这个样本一段时间,然后释放压力,来看看这个样本是否会持续为金属氢。接着我们会放入另一个样本。

在前方,有令人兴奋的时代,以及有更多的发现要被做出。但今天我们只是证明宇宙最普通的元素,能够以一种全新的形式存在,而这足以让我们来庆祝。

这项研究发表于科学(Science)期刊。

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