金属氢!百年理论终于完成向现实的华丽转身 Science 论文推荐

科研圈2021-04-05 13:02:20

本文授权转载自微信公众号“DeepTech深科技”


在历经近一个世纪之后,哈佛大学的科学家终于成功地将曾经的理论变为现实——他们创造了这个星球上最稀有的,也是最有价值的材料:金属氢!

 

这一材料,是由哈佛大学自然科学系教授伊萨克·席尔瓦拉(Issac Silvera)和他的博士后研究员兰加·迪亚兹(Ranga Dias)共同发现的。金属氢除了在实际用途上可以帮助科学家解答有关物质本质的基本问题之外,从理论上看,这一材料还拥有十分广泛的潜在功能,比如将其用作室温超导体。


发现这一稀有材料的论文已发表于1月26日出版的《科学》杂志上。


哈佛大学自然科学教授伊萨克·席尔瓦拉(Issac Silvera)

 

“这一发现堪比高压物理学界的圣杯”,席尔瓦拉这样形容他的发现。“这是地球上第一个金属氢样品。同时也说明,当你在观察这一样品的时候,你看见的是一种世界上从未存在过的东西!”

 

为了得到金属氢,席尔瓦拉和迪亚兹颇费了一番功夫,因为氢的高压实验很难做。他们将一块微小的固态氢样品置于495千兆帕斯卡的高压下(大约相当于488万个大气压),这一数值甚至超过了位于地球中心的压力值。


在这一极端的外部压力下,分子氢的化学键将被打开,最终形成由氢原子为最小单位而组成的晶体氢,即具有金属性质的金属氢

 

金刚石对顶砧产生的压力甚至超过地球中心压力


这项工作不仅帮助人们理解氢的一般性质提供了重要的新窗口,同时,它也为研究这一潜在的革命性新材料提供了前所未有的新途径。

 

席尔瓦拉说:“在有关金属氢的诸多预测中,其中最重要的预测即是该材料将是“亚稳态”,即材料本身并不处于平衡状态,但是却能维持相对稳定的状态

 

这里所说的亚稳态金属氢(简称MSMH)将对金属氢的应用起到非常关键的影响。亚稳态金属氢的重要特性就是当压力撤除后,它并不会马上恢复成普通氢气


打个不十分恰当的比方,这有点类似于人们利用石墨在高温和高压条件下制备金刚石,当恢复到常温常压之后,金刚石仍然会保持金刚石的状态,而不会变回石墨


石墨与金刚石


席尔瓦拉表示,判定这种材料是否稳定任然是一个十分重要的课题。因为之前的预测表明,金属氢可能是一种室温环境(约17摄氏度)下的超导体

 

 “这将是革命性的发现,”席尔瓦拉教授接着说道。 “在buzz电网中,有多达15%的能量在电力输送环节就被损耗了,因此如果能利用这种材料制成电缆,并且将其用于电网之中,将完全扭转这一现状。”

 

迪亚兹说,室温超导体绝对可以称作物理学界的“圣杯”。它可以彻底变革我们的运输系统,使得磁悬浮高速列车成为可能。同时,它还能使电动汽车更有效率,并改善许多电子设备的性能。

 

金属氢还能为能量的产生与存储带来重大变革——因为超导体具有零电阻的特点,因此能量可以通过超导线圈中的电流进行存储,然后在需要时使用。

 

在压力足够的条件下,透明氢分子转变为黑氢半导体,再转变为金属氢原子

 

金属氢不仅具有变革人类在地球上生活的巨大潜力,同时作为世界上已知的最强力的火箭推进剂,它还将帮助人类探索遥远的太空。


席尔瓦拉解释道,“金属氢的制备消耗了大量的能量。因此,如果将它转化回氢分子,将释放所有蕴藏的能量,这将使得金属氢成为人类已知的最为强大的火箭推进剂,并彻底的变革航天领域。

 

衡量火箭燃料燃烧效率的单位是“比冲量”,即推进剂从火箭后方喷射的速度,它的单位是秒。目前,最为强大的液态推进器的比冲为450秒,而金属氢的理论比冲竟达到了1700秒

 

席尔瓦拉说,“这将使得探索外行星变得轻松许多。金属氢的重要性体现在:火箭的发射阶段将从现在的两个减少到一个。与此同时,我们还能够将更大的有效载荷送入轨道。”

 

此外,为了达到能够创造这一全新材料的苛刻条件,席尔瓦拉和迪亚兹选择了地球上最为坚硬的一种材料———金刚石

 

但是,他们所使用的金刚石并不是天然钻石,而是两块经过精心抛光的合成金刚石。这两块金刚石在使用之前经过了特殊处理,使其变得更加坚固。随后,这两块金刚石相对地安装在金刚石对顶砧上。

 

图中的上下两颗金刚石对顶砧压缩氢分子,在压力足够的条件下,样本转化为右图的氢原子。

 

席尔瓦拉说,“我们使用钻石粉对金刚石的表明进行了抛光处理,但是它可能会破坏金刚石表面的结构,剥离碳原子。当我们使用原子力显微镜对钻石表面进行观察时,我们发现了一些缺陷。而这些缺陷可能会削弱材料的强度,并有可能引起材料的断裂。”

 

席尔瓦拉继而介绍说,为了解决这一问题,他们使用了反应离子蚀刻工艺,从金刚石的表面刮削出一层仅为5微米厚的微小薄层 —— 该厚度仅为人类头发直径的十分之一。随后,他们将金刚石的表面涂覆上了一层氧化铝薄层,以防止氢扩散到金刚石晶体结构中,引起材料脆化。

 

在经过长达四十多年的不懈耕耘后,席尔瓦拉坦言,他第一次亲眼见证这一材料,内心无比激动。这一天,距离金属氢第一次在理论层面上提出,已经过去了近一个世纪!


博士后研究员兰加·迪亚兹(Ranga Dias)与本次发现使用的实验设备

 

他说,“这真的十分让人激动。那时候研究团队正在进行实验,大家都认为我们很有可能实现这一目标。后来他们给我打电话说,‘样品闪闪发光!’我马上跑下去看,发现真的是金属氢!”希尔瓦拉教授激动地回忆道。“我立即说,我们必须进行测量确认,所以我们随后重新安排了实验室......我们就是这么做的。”


 “这是一项无与伦比的成就,即使金属氢只能在这种金刚石对顶砧中存在,这一发现都可以称得上是至关重要的革命性成果。"



编辑:胡仲略



论文信息:

【题目】Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen

【作者】Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera

【期刊】Science

【日期】26 January 2017

【DOI】10.1126/science.aal1579

【摘要】Producing metallic hydrogen has been a great challenge to condensed matter physics. Metallic hydrogen may be a room temperature superconductor and metastable when the pressure is released and could have an important impact on energy and rocketry. We have studied solid molecular hydrogen under pressure at low temperatures. At a pressure of 495 GPa hydrogen becomes metallic with reflectivity as high as 0.91. We fit the reflectance using a Drude free electron model to determine the plasma frequency of 32.5 ± 2.1 eV at T= 5.5 K, with a corresponding electron carrier density of 7.7 ± 1.1 × 10^23 particles/cm3, consistent with theoretical estimates of the atomic density. The properties are those of an atomic metal. We have produced the Wigner-Huntington dissociative transition to atomic metallic hydrogen in the laboratory.

【原文链接】

http://science.sciencemag.org/content/early/2017/01/25/science.aal1579



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