如何将氢变成金属:用钻石挤压它

A composite of separate exposures taken in 2003 to 2012 with Hubble's Advanced Camera for Surveys and Wide Field Camera 3 of the evolving universe is shown in this handout photo provided by NASA, June 3, 2014. Researchers say the image, from a new study called the Ultraviolet Coverage of the Hubble Ultra Deep Field, provides the missing link in star formation. Made from 841 orbits of telescope viewing time, it contains approximately 10, 000 galaxies, extending back in time to within a few hundred million years of the big bang, according to NASA. REUTERS/HUDF/NASA/Handout via Reuters (OUTERSPACE - Tags: SCIENCE TECHNOLOGY) ATTENTION EDITORS - FOR EDITORIAL USE ONLY. NOT FOR SALE FOR MARKETING OR ADVERTISING CAMPAIGNS. THIS IMAGE HAS BEEN SUPPLIED BY A THIRD PARTY. IT IS DISTRIBUTED, EXACTLY AS RECEIVED BY REUTERS, AS A SERVICE TO CLIENTS - RTR3S21L
Hydrogen makes galaxies shine.Image: REUTERS/HUDF/NASA
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这是一个气体表现得不合常理的故事。

哈佛大学的物理学家首次将氢转变成金属。这证实了一个概念:80多年前,因相关研究获得诺贝尔奖的物理学家首次对此作出了预测。

氢是元素周期表中最小的元素,每个原子只有一个质子和一个电子。在室温和正常大气压下,氢呈气态。通常,一个氢原子会与另一个氢原子结合,形成稳定的分子。这些分子容易快速四处运动并占据大量空间,这正是氢呈气态的原因。(实际上,在地球大气中很少能发现游离的氢;由于氢很轻,地球引力难以将其留住。)

不过,通过加快或减慢分子的运动,或改变分子可供运动的空间,任何元素的状态都有可能改变。温度越低,分子运动越慢。在这项研究中,研究人员将氢冷却至5.5开尔文(-267.65 °C),使分子大幅减速,几乎停止运动。此时,氢分子排列成晶格结构。随后,他们将分子挤压在一起,使压力达到495吉帕斯卡,接近海平面气压的500万倍。

超冷的氢分子彼此靠得很近时,会发生奇特的现象。“最终,[这些分子]会靠得如此之近,以至于一个分子中的两个原子无法分辨自己究竟属于这个分子还是相邻的分子,”论文第一作者艾萨克·西尔维拉(Isaac Silvera)说。该论文发表于1月26日刊登在《科学》杂志上(需付费阅读)。晶格中的原子不再各自形成独立的分子,而是组成紧密排列的整体,共享电子——就像金属一样。

研究团队通过向样品照射光线并测量其反射率,检验氢的金属性质。尽管他们无法判断冷却并压缩后的氢是液体还是固体,但低能激光束被反射回来,正如科学家预期金属表面会有的表现。

为了制成金属氢,西尔维拉和同事朗加·迪亚斯(Ranga Dias)使用了一种名为金刚石对顶砧的装置。顾名思义,这种装置利用钻石向化学样品施加压力。“钻石是我们所知最坚硬的材料,”西尔维拉说。钻石能够承受巨大的压力,而且可以透过光线和X射线,因此更便于研究对顶砧内被挤压的样品。在这项研究中,他们使用了不含杂质的人造钻石,并在钻石上涂覆一层薄薄的氧化铝,以防氢分子渗入宝石。

西尔维拉认为,金属氢中的分子会重新排列,因此氢在重新升温后有可能保持其结构,并成为超导体。电线中的铜等金属可以导电,但部分能量会以热量的形式损失(想想带灯丝的灯泡摸起来会发烫)。超导体能够传输电力而不损失任何能量,但迄今只存在于极低温度下,因此大多数用途都不切实际,因为维持如此低的温度需要消耗大量能源。西尔维拉计划在不久的将来开展研究,以确定金属氢是否确实是一种室温超导体。

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