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近一個世紀后，哈佛大學的科學家們讓曾經(jīng)的理論變成了現(xiàn)實——他們創(chuàng)造出了地球上最稀有、最有價值的材料:金屬氫！
這種物質(zhì)是由哈佛大學自然科學系教授Issac Silvera和他的博士后研究員Ranga Dias發(fā)現(xiàn)的。除了在幫助科學家回答關于物質(zhì)本質(zhì)的基本問題方面的實際應用外，金屬氫在理論上還有廣泛的勢函數(shù)，比如它作為室溫超導體的用途。
哈佛大學自然科學教授艾薩克·西爾維拉(Isaac Silvera)
“這是高壓物理學的圣杯，”在描述他的發(fā)現(xiàn)時說?！斑@是地球上第一個金屬氫樣本。這也意味著，當你看到這個標本時，你看到的是世界上從未存在過的東西!”
為了得到金屬氫，席爾瓦和迪亞茲經(jīng)歷了一段艱難的時光，因為氫在高壓下很難得到。他們將一個微小的固體氫樣本置于495吉帕斯卡(約488萬大氣壓)的高壓下，這甚至比地球中心的壓力還要高。
在這種極端的外部壓力下，氫分子的化學鍵會被打開，最終形成由氫的最小單位組成的結晶氫，即具有金屬性質(zhì)的金屬氫。
鉆石對鐵砧施加的壓力甚至比地心施加的壓力還要大
這項工作不僅為了解氫的一般性質(zhì)提供了一個重要的新窗口，而且為研究這種潛在的革命性新材料提供了一種前所未有的方法。
“關于金屬氫的許多預測中，最重要的一個是材料將是‘亞穩(wěn)態(tài)’的，這意味著材料本身不是處于平衡狀態(tài)，而是保持相對穩(wěn)定，”Silva說。
亞穩(wěn)態(tài)金屬氫(MSMH)在金屬氫的應用中起著至關重要的作用。亞穩(wěn)金屬氫的一個重要性質(zhì)是，當壓力被消除時，它不會立即恢復到正常的氫。
做一個不恰當?shù)念惐?，這有點類似于在高溫高壓下使用石墨制備金剛石。當恢復到室溫和壓力時，金剛石將保持金剛石的狀態(tài)，而不會變回石墨。
石墨與金剛石
確定材料是否穩(wěn)定仍然是一個重要的問題，Silva說。因為先前的預測表明，金屬氫在室溫(約17攝氏度)下可能是超導體。
“這將是革命性的，”西爾維拉教授補充說。“在The Buzz電網(wǎng)中，高達15%的能量會在傳輸點損失，所以如果你能用這種材料制作一根電纜，并把它放入電網(wǎng)，它將完全扭轉(zhuǎn)這種情況?！?/span>
迪亞茲說，室溫超導體絕對是物理學的圣杯。它可以徹底改變我們的交通系統(tǒng)，使磁懸浮高速列車成為可能。它還可以提高電動汽車的效率，并改善許多電子設備的性能。
金屬氫也可以徹底改變能量的產(chǎn)生和儲存——因為超導體是零電阻的，能量可以通過超導線圈中的電流儲存起來，然后在需要時使用。
在足夠的壓力下，透明的氫分子變成黑色氫半導體，然后變成金屬氫原子
金屬氫不僅有可能徹底改變地球上的生命，而且作為世界上已知的最強大的火箭推進劑，它還將幫助人類探索遙遠的太空。
“制備金屬氫需要消耗大量的能源。所以如果你把它重新轉(zhuǎn)化為氫分子，你就會釋放所有的能量，這將使金屬氫成為人類已知的最強大的火箭推進劑，并徹底改變太空?！?/span>
衡量火箭燃燒燃料效率的一個指標是“比沖量”，即推進劑從火箭尾部噴射出來的速度，以秒為單位。目前，最強大的液體推進器比沖量為450秒，而金屬氫的理論沖量為1700秒。
席爾瓦說:“這將使探索外行星變得更容易?！苯饘贇浜苤匾?，因為它將把發(fā)射階段從兩個減少到一個。與此同時，我們能夠?qū)⒏蟮挠行лd荷送入軌道?！?/span>
此外，為了滿足創(chuàng)造新材料所要求的苛刻條件，Silva和Diaz選擇了地球上最堅硬的材料之一:鉆石。
但他們使用的鉆石不是天然鉆石，而是兩顆精心打磨的人造鉆石。這兩顆鉆石在使用前經(jīng)過特殊處理，使它們更堅固。然后，兩顆鉆石相對地安裝在一個鉆石砧上。
圖中的上下兩顆金剛石對頂砧壓縮氫分子，在壓力足夠的條件下，樣本轉(zhuǎn)化為右圖的氫原子。
“我們用金剛石粉拋光了鉆石的表面，但它會破壞表面的結構，剝離碳原子。當我們用原子力顯微鏡觀察金剛石表面時，我們發(fā)現(xiàn)了一些缺陷。這些缺陷會削弱材料，并可能導致材料斷裂?！?/span>
他說，為了解決這個問題，他們使用了一種稱為活性離子蝕刻的工藝，刮出一層只有5微米厚的薄層，直徑只有人類頭發(fā)的十分之一。然后，他們在鉆石上涂上一層薄薄的氧化鋁層，以防止氫擴散到晶體結構中，導致材料脆化。
經(jīng)過40多年的研究，席爾瓦承認第一次看到它很激動。這距離金屬氫的首次理論發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過去了將近一個世紀!
博士后研究員蘭加·迪亞斯(Ranga Dias)介紹了這一發(fā)現(xiàn)所使用的實驗設備
“這真的很令人興奮，”他說。當時，研究小組正在做實驗，每個人都認為我們很有可能實現(xiàn)這個目標。然后他們打電話給我說，‘樣品很亮!’我跑過去一看，原來是金屬氫!”西爾瓦納教授興奮地回憶道。“我馬上說，我們必須做測量確認，所以我們隨后重新安排了實驗室......這就是我們所做的。”
“這是一項無與倫比的成就，即使金屬氫只能在這種類型的鉆石砧中找到，這也是一項革命性的發(fā)現(xiàn)。”
