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把氢变成金属,究竟有多难?

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核心要点

要制造金属氢,需要对氢气施加巨大的压力(大约相当于488万个大气压),

使它从气态变为液态,再由液态变为固态,最后打开分子键,成为氢原子,具备导电性能。

回答这个问题,我们先要来说说它的制造过程。

“制造金属氢有几个环节,先对氢气施加压力,让它成为液态,然后再施压,让它从液态变为固态。”中国科学院高能物理研究所研究员刘鹏对北京科技报 | “科学加”客户端记者说,“但固态不等于金属态,只有具备了导电性能,才可以被称为金属氢。”

要施加超过地心压力的巨大力量

▲两颗金刚石砧压缩氢分子,在压力足够高的条件下,样本转化为氢原子

要让固态的氢导电,就必须让组成它的氢分子打开化学键,变成一个个氢原子。打个不算恰当的比方,氢分子就像手拉着手围成一圈的小朋友,而打开化学键就是让他们松开手,变成一个个独立的个体,也就是氢原子。由于原子周围存在大量的可以自由移动的电子,当那些电子定向移动的时候会产生电流,也就意味着能导电了。

当然,化学键不是轻易能打开的,需要施加非常强大的外力。据西尔韦拉和他的博士后研究员兰加·迪亚兹(Ranga Dias)介绍,他们在实验时,将样品置于高达495千兆帕斯卡(大约相当于488万个大气压)的压力下,而这个数值甚至超过了位于地球中心的压力值。

要有完美的金刚石对顶砧设备

看到这里你可能会问了,这么大的压力是从哪儿来的呢?答案就是——金刚石对顶砧。

“所谓金刚石对顶砧,是将两块金刚石的尖头相对挤压,从而给夹在中间的物质施加压力。”刘鹏一边说一边举起两只手掌,做出互相接近、挤压的动作。“我们都知道,在压力一定的情况下,受力面积越小,压强越大。因为金刚石尖头的面积非常小,一般只有几十微米,所以当我们通过金刚石给中间的氢样品施加压力时,就会产生极大的压强,促使分子链断裂,从而使氢拥有导电性能。”


▲金刚石对顶砧压腔(来源:中科院高能物理研究所官网)

在刘鹏看来,制成金属氢的一大技术难点就在于这个金刚石对顶砧设备。“目前我们北京的设备还做不出这么大的压力。有时根据情况需要,我们会使用激光加温等辅助手段,可即便这样,能施加的最大压力也只能到300千兆帕斯卡。”此外,这项实验对金刚石品质的要求也非常高,金刚石的结构越完美,抗压能力越好,要承受如此大的压力,金刚石绝对不能轻易碎裂,“所以哈佛大学的科学家们能找到合适的金刚石,再加工成实验需要的形状,其实也是很有难度的。”刘鹏说道。


▲金刚石对顶砧压腔(来源:中科院高能物理研究所官网)

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