科學家有史以來第一次創造出金屬氫!

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氫現在是一種金屬了

科學家早就懷疑氫可以在宇宙的某些地區以金屬狀態存在,但這是第一次在地球上創造出金屬氫,而這個材料甚至比科學家所想像的更奇怪且更迷人。

來自哈佛大學的首席研究員艾薩克‧席維拉(Isaac F. Silvera)說:「這是高壓物理學的聖杯,是地球上第一個金屬氫的樣品。所以當你在觀看它時,你正在看著以前從未存在過的東西。」

回到1935年,研究人員預測在某些條件下,這個普通且經常被研究的元素可以讓它的原子如此緊密地結合在一起。這個材料不僅僅具有金屬特性,而且實際上可以變成金屬。

但這些條件並不容易達到,涉及到在極低溫下達到驚人的高壓。這是為什麼超過80年,儘管無數次的嘗試,沒有人能夠證明是有可能的,直到現在。

席維拉告訴澳洲科學新聞網誌科學警訊(ScienceAlert):「最令人興奮的部分是我們把氫氣加壓到足夠的高壓,然後看見它轉變成金屬。」

他解釋:「氫從透明到不透明且黑色,然後突然變得有光澤;我們實際上可以看到它變成金屬。」

你可以在下面看到這個第一次在地球上出現的材料:


Silvera et al

作為物理世界中的概念驗證,這不僅僅是令人興奮的,雖然它絕對是。幾年來金屬氫一直是許多推測的來源,因為它被預測有一些驚人的特性。

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最重要的是,物理學家認為金屬氫可能是室溫下的超導體,意味著這個材料能夠以零阻抗來導電,而且不需要在一開始就被冷卻到瘋狂的低溫。

我們已經知道有很多超導材料,我們利用它們在核磁共振(MRI)機器和磁浮列車產生強大磁場,但它們只能在攝氏負269度(華氏負452.2度)以下達成超導性。對於許多用途而言,這使得它們很昂貴且不實際。

如果科學家可以在室溫下達到同樣的超導性,那將是一件大事,因為這意味著我們可以創造出像是電力線這樣的東西,在電廠和住家之間不會損失任何電力。現在,由於阻抗的原因,電力網以熱量損失高達15%的能量

為了要弄清楚,席維拉和研究小組所創造出的金屬氫只有1到1.5微米厚,直徑為10微米,因此它是非常的小。

在同行評審確認他們的樣本真的是金屬氫之前,他們猶豫是否要在這上頭執行很多次的測試。因此,我們目前沒有證據來表明這個材料是一個超導體,這將是未來幾個月要進行的調查。

但對於現在,我們知道樣品是真的,而且自10月份以來,它在席維拉的實驗室中一直是穩定的。

研究人員聲稱在過去已經做到金屬氫的初期階段,甚至聲稱是金屬氫本身的證據;但這些報告從未得到驗證。這個最新的聲稱現在有機會被評論家戳破,但到目前為止,這個樣品經得起所有相關的金屬測試。

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為了要做出樣品,研究小組把氫氣困在一個微小的鑽石空間內,冷卻至凱氏5.5度(攝氏負267.65度或是華氏負449.77度),並且置於驚人的高壓下。


Silver et al

然而在我們說高壓時,意思是說高的大氣壓力。回到1935年,當時預測金屬氫會在25吉帕斯卡(gigapascal,GPa)的壓力下出現。但席維拉和研究小組最終在465和495吉帕斯卡之間的壓力下達成,比最初的預測高出將近20倍。

研究小組很快地看到它的外觀變化,但是為了要驗證他們所創造出來的是金屬氫,他們使用光譜測量,包括測量它的反射比(reflectivity),並且顯示出這個反射比是最初一個標準氫氣(H2)轉變成一個原子金屬。

你可以在下面看見不同的原子結構:


 Silver et al

既然我們知道金屬氫存在,有很多問題尚待回答;最大的問題是,金屬氫究竟是液體還是固體。如同研究人員所預測,它可以都是。

到目前為止,席維拉和研究小組相信他們所創造出來的是固態。但對已被驗證的材料,他們現在正在進行更詳細的分析。

他們還對這個金屬氫通電流,來測試它在室溫下是否真的是超導體。這是有可能的,無論是液體、還是固體。

實在很怪異,席維拉表示金屬氫也有可能是介穩狀態(metastable),意味著即使你釋放出壓力,它將繼續保持金屬態。

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介穩材料常見的例子是鑽石,它是碳的介穩狀態的一種。為了要做出鑽石,你把石墨(graphite)放在驚人的壓力和熱之下,一些自然發生在地球表面下方深處的情況。

但即使你把鑽石挖出地面,他們依舊是鑽石。

相同的情況對於金屬氫可能是真的。然而一旦對樣品進行所有其它的分析之後,還會進行測試,以防萬一預測是錯誤的。並且在壓力被解除時,金屬氫會消散,回歸成氣體 。

席維拉說:「我們將研究這個樣本一段時間,然後釋放壓力,來看看這個樣本是否會持續為金屬氫。接著我們會放入另一個樣本。」

在前方,有令人興奮的時代,以及有更多的發現要被做出。但今天我們只是證明宇宙最普通的元素,能夠以一種全新的形式存在,而這足以讓我們來慶祝。

這項研究發表於科學(Science)期刊

來源:ScienceAlert