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近一個(gè)世紀(jì)后，哈佛大學(xué)的科學(xué)家們讓曾經(jīng)的理論變成了現(xiàn)實(shí)——他們創(chuàng)造出了地球上最稀有、最有價(jià)值的材料:金屬氫！
這種物質(zhì)是由哈佛大學(xué)自然科學(xué)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(xué)家回答關(guān)于物質(zhì)本質(zhì)的基本問(wèn)題方面的實(shí)際應(yīng)用外，金屬氫在理論上還有廣泛的勢(shì)函數(shù)，比如它作為室溫超導(dǎo)體的用途。
哈佛大學(xué)自然科學(xué)教授艾薩克·西爾維拉(Isaac Silvera)
“這是高壓物理學(xué)的圣杯，”在描述他的發(fā)現(xiàn)時(shí)說(shuō)?！斑@是地球上第一個(gè)金屬氫樣本。這也意味著，當(dāng)你看到這個(gè)標(biāo)本時(shí)，你看到的是世界上從未存在過(guò)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(shí)光，因?yàn)闅湓诟邏合潞茈y得到。他們將一個(gè)微小的固體氫樣本置于495吉帕斯卡(約488萬(wàn)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(xué)鍵會(huì)被打開(kāi)，最終形成由氫的最小單位組成的結(jié)晶氫，即具有金屬性質(zhì)的金屬氫。
鉆石對(duì)鐵砧施加的壓力甚至比地心施加的壓力還要大
這項(xiàng)工作不僅為了解氫的一般性質(zhì)提供了一個(gè)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(guān)于金屬氫的許多預(yù)測(cè)中，最重要的一個(gè)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(duì)穩(wěn)定，”Silva說(shuō)。
亞穩(wěn)態(tài)金屬氫(MSMH)在金屬氫的應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。亞穩(wěn)金屬氫的一個(gè)重要性質(zhì)是，當(dāng)壓力被消除時(shí)，它不會(huì)立即恢復(fù)到正常的氫。
做一個(gè)不恰當(dāng)?shù)念?lèi)比，這有點(diǎn)類(lèi)似于在高溫高壓下使用石墨制備金剛石。當(dāng)恢復(fù)到室溫和壓力時(shí)，金剛石將保持金剛石的狀態(tài)，而不會(huì)變回石墨。
石墨與金剛石
確定材料是否穩(wěn)定仍然是一個(gè)重要的問(wèn)題，Silva說(shuō)。因?yàn)橄惹暗念A(yù)測(cè)表明，金屬氫在室溫(約17攝氏度)下可能是超導(dǎo)體。
“這將是革命性的，”西爾維拉教授補(bǔ)充說(shuō)?！霸赥he Buzz電網(wǎng)中，高達(dá)15%的能量會(huì)在傳輸點(diǎn)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。”
迪亞茲說(shuō)，室溫超導(dǎo)體絕對(duì)是物理學(xué)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(chē)成為可能。它還可以提高電動(dòng)汽車(chē)的效率，并改善許多電子設(shè)備的性能。
金屬氫也可以徹底改變能量的產(chǎn)生和儲(chǔ)存——因?yàn)槌瑢?dǎo)體是零電阻的，能量可以通過(guò)超導(dǎo)線圈中的電流儲(chǔ)存起來(lái)，然后在需要時(shí)使用。
在足夠的壓力下，透明的氫分子變成黑色氫半導(dǎo)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(qiáng)大的火箭推進(jìn)劑，它還將幫助人類(lèi)探索遙遠(yuǎn)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(huì)釋放所有的能量，這將使金屬氫成為人類(lèi)已知的最強(qiáng)大的火箭推進(jìn)劑，并徹底改變太空。”
衡量火箭燃燒燃料效率的一個(gè)指標(biāo)是“比沖量”，即推進(jìn)劑從火箭尾部噴射出來(lái)的速度，以秒為單位。目前，最強(qiáng)大的液體推進(jìn)器比沖量為450秒，而金屬氫的理論沖量為1700秒。
席爾瓦說(shuō):“這將使探索外行星變得更容易?！苯饘贇浜苤匾?，因?yàn)樗鼘寻l(fā)射階段從兩個(gè)減少到一個(gè)。與此同時(shí)，我們能夠?qū)⒏蟮挠行лd荷送入軌道。”
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(jiān)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(guò)特殊處理，使它們更堅(jiān)固。然后，兩顆鉆石相對(duì)地安裝在一個(gè)鉆石砧上。
圖中的上下兩顆金剛石對(duì)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(huì)破壞表面的結(jié)構(gòu)，剝離碳原子。當(dāng)我們用原子力顯微鏡觀察金剛石表面時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了一些缺陷。這些缺陷會(huì)削弱材料，并可能導(dǎo)致材料斷裂?！?/span>
他說(shuō)，為了解決這個(gè)問(wèn)題，他們使用了一種稱(chēng)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(lèi)頭發(fā)的十分之一。然后，他們?cè)阢@石上涂上一層薄薄的氧化鋁層，以防止氫擴(kuò)散到晶體結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致材料脆化。
經(jīng)過(guò)40多年的研究，席爾瓦承認(rèn)第一次看到它很激動(dòng)。這距離金屬氫的首次理論發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過(guò)去了將近一個(gè)世紀(jì)!
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(shí)驗(yàn)設(shè)備
“這真的很令人興奮，”他說(shuō)。當(dāng)時(shí)，研究小組正在做實(shí)驗(yàn)，每個(gè)人都認(rèn)為我們很有可能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。然后他們打電話給我說(shuō)，‘樣品很亮!’我跑過(guò)去一看，原來(lái)是金屬氫!”西爾瓦納教授興奮地回憶道?！拔荫R上說(shuō)，我們必須做測(cè)量確認(rèn)，所以我們隨后重新安排了實(shí)驗(yàn)室......這就是我們所做的。”
“這是一項(xiàng)無(wú)與倫比的成就，即使金屬氫只能在這種類(lèi)型的鉆石砧中找到，這也是一項(xiàng)革命性的發(fā)現(xiàn)。”
