【最新研究】金屬氫引起的「紛爭」:科學家探索近90年,人類渴望的終極燃料

天空之城 2021/06/02 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

誰能想到世界上最神奇的材料會產生這麼大的熱度?遺憾的是,它不是有用的熱度。至少現在還沒有。90多年來,人們一直試圖以金屬形式製造氫,但目前它所帶來的是專業人士之間的紛爭。

如果誰能第一個成功製造金屬氫,那將是一項意義重大的成就,以至於多個研究小組已經宣稱取得了成功,只是他們的競爭對手對此表示高度懷疑。

紐約羅賈斯特大學的蘭加·迪亞斯,對法國原子能委員會的保羅·魯貝雷領導的研究小組發佈的一項最新金屬氫研究的回應是:無事生非。您可能會覺得他的這句評論很刺耳,然而您並不知道這句話的背景,這篇新研究的作者實際上在對2017年哈佛大學研究的評價時,也用了類似的字眼。

研究人員之間的唇齒之爭,都源於一個風險相當高的研究。金屬氫的擁護者聲稱這種普通元素可能會給科學和技術帶來顛覆性的改變。

首先,它可能是一種突破性的火箭燃料,因為它可以轉化為氫分子,釋放出大量的熱量;另外它還會給行星科學家們帶來巨大希望,因為像木星這樣的氣態巨行星,它的核心被認為是由這種物質構成的。如果我們能在實驗室裡製造出來,我們也許就能瞭解這些行星是如何形成的;第三點,最吸引人的是傳說中的金屬氫在室溫下的超導能力,它能讓電流在不損失能量的情況下流動。

澳大利亞中子散射中心的海倫·梅納德·凱斯利說,基於以上這些原因,一次確認最終成功的金屬實驗無疑將是一件大事,每位投身該研究的研究人員都希望能因此獲得諾貝爾獎。這種潛在的成就聽起來相當誘人。那麼為什麼一項很有前途的物理研究會如此折磨人呢?

1935年,尤金·維格納和希拉德·貝爾·亨廷頓第一個意識到氫的這種轉變是可能的。他們預測,為了在元素週期表上表現得和它的鄰居一樣,所有的氫都需要很大的壓強。如果想要讓氫原子的電子脫離質子,轉而在堅硬的固體晶格中漫遊,需要近400千兆帕卡(GPA),相當於400萬倍的大氣壓,形象的比喻,就好像一架針頭上平衡的巨型噴氣式飛機。

我們第一次足夠接近金屬氫是在50多年後的1998年。紐約康奈爾大學和馬裡蘭大學的一組工程師將氫樣本壓縮在一個被稱為「鑽石砧」的地方。本質上鑽石砧是一對鑽石,它們的尖端非常鋒利,大約是人類頭髮直徑的四分之一。它們的尖端雖然微小,卻能夠對氫進行捕捉。

研究人員之後轉動螺絲,將兩顆鑽石緊壓,進而壓縮捕獲的氫氣。最終在打碎了15對鑽石後,該團隊設法將尖端之間的壓力提高到342 GPa,這已經是接近地球核心的壓強。根據已知理論,這樣高的壓強應該足以使氫金屬化,然而結果它不是。

四年後,由法國原子能委員會的保羅·魯貝雷領導的一個小組表明,這樣的結果是意料之中的。金屬化壓力的計算是基於對氫原子中電子所能達到的兩種完全不同的能態之間的「間隙」的測量。隨著壓力的增大,這種間隙縮小了。於是進而改變了電子吸收或發射光的方式。就在間隙關閉、材料變成金屬之前,氫的電子吸收光但不釋放光,這導致材料變得越來越不透明。但是一旦間隙關閉,電子能夠以自由移動的導體的形式存在,它們將重新釋放出被吸收的光能,使材料具有高反射性。根據他們的觀察推斷,魯貝雷和他的同事認為,要產生金屬氫,需要大約450 GPa的壓力。

又過了13年,我們終於可以說成功了。科學們在495 GPa壓強下,看到了金屬氫的出現。至少,這是當時在哈佛大學工作的迪亞斯和以撒·西爾瓦在2017年發表於《科學》雜誌上的一篇同行評議論文中提出的觀點。哈佛大學發佈了一份新聞稿,稱該成就是「高壓物理學的聖杯」。

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