在歷經(jīng)近一個(gè)世紀(jì)之后，哈佛大學(xué)的科學(xué)家終于成功地將曾經(jīng)的理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)——他們創(chuàng)造了這個(gè)星球上最稀有的，也是最有價(jià)值的材料：金屬氫！這一材料，是由哈佛大學(xué)自然科學(xué)系教授伊薩克·席爾瓦拉（Issac Silvera）和他的博士后研究員蘭加·迪亞茲（Ranga Dias）共同發(fā)現(xiàn)的。金屬氫除了在實(shí)際用途上可以幫助科學(xué)家解答有關(guān)物質(zhì)本質(zhì)的基本問(wèn)題之外，從理論上看，這一材料還擁有十分廣泛的潛在功能，比如將其用作室溫超導(dǎo)體。發(fā)現(xiàn)這一稀有材料的論文已發(fā)表于《科學(xué)》雜志上。

 哈佛大學(xué)自然科學(xué)教授伊薩克·席爾瓦拉（Issac Silvera）

    “這一發(fā)現(xiàn)堪比高壓物理學(xué)界的圣杯”，席爾瓦拉這樣形容他的發(fā)現(xiàn)。“這是地球上第一個(gè)金屬氫樣品。同時(shí)也說(shuō)明，當(dāng)你在觀察這一樣品的時(shí)候，你看見(jiàn)的是一種世界上從未存在過(guò)的東西！”為了得到金屬氫，席爾瓦拉和迪亞茲頗費(fèi)了一番功夫，因?yàn)闅涞母邏簩?shí)驗(yàn)很難做。他們將一塊微小的固態(tài)氫樣品置于495千兆帕斯卡的高壓下（大約相當(dāng)于488萬(wàn)個(gè)大氣壓），這一數(shù)值甚至超過(guò)了位于地球中心的壓力值。

    在這一極端的外部壓力下，分子氫的化學(xué)鍵將被打開(kāi)，最終形成由氫原子為最小單位而組成的晶體氫，即具有金屬性質(zhì)的金屬氫。

 金剛石對(duì)頂砧產(chǎn)生的壓力甚至超過(guò)地球中心壓力

    這項(xiàng)工作不僅幫助人們理解氫的一般性質(zhì)提供了重要的新窗口，同時(shí)，它也為研究這一潛在的革命性新材料提供了前所未有的新途徑。 席爾瓦拉說(shuō)：“在有關(guān)金屬氫的諸多預(yù)測(cè)中，其中最重要的預(yù)測(cè)即是該材料將是”亞穩(wěn)態(tài)“，即材料本身并不處于平衡狀態(tài)，但是卻能維持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。這里所說(shuō)的亞穩(wěn)態(tài)金屬氫（簡(jiǎn)稱MSMH）將對(duì)金屬氫的應(yīng)用起到非常關(guān)鍵的影響。亞穩(wěn)態(tài)金屬氫的重要特性就是當(dāng)壓力撤除后，它并不會(huì)馬上恢復(fù)成普通氫氣。

    打個(gè)不十分恰當(dāng)?shù)谋确?，這有點(diǎn)類似于人們利用石墨在高溫和高壓條件下制備金剛石，當(dāng)恢復(fù)到常溫常壓之后，金剛石仍然會(huì)保持金剛石的狀態(tài)，而不會(huì)變回石墨。

石墨與金剛石

    席爾瓦拉表示，判定這種材料是否穩(wěn)定任然是一個(gè)十分重要的課題。因?yàn)橹暗念A(yù)測(cè)表明，金屬氫可能是一種室溫環(huán)境（約17攝氏度）下的超導(dǎo)體。”這將是革命性的發(fā)現(xiàn)，“席爾瓦拉教授接著說(shuō)道。 ”在buzz電網(wǎng)中，有多達(dá)15％的能量在電力輸送環(huán)節(jié)就被損耗了，因此如果能利用這種材料制成電纜，并且將其用于電網(wǎng)之中，將完全扭轉(zhuǎn)這一現(xiàn)狀。

    “迪亞茲說(shuō)，室溫超導(dǎo)體絕對(duì)可以稱作物理學(xué)界的”圣杯“。它可以徹底變革我們的運(yùn)輸系統(tǒng)，使得磁懸浮高速列車成為可能。同時(shí)，它還能使電動(dòng)汽車更有效率，并改善許多電子設(shè)備的性能。金屬氫還能為能量的產(chǎn)生與存儲(chǔ)帶來(lái)重大變革——因?yàn)槌瑢?dǎo)體具有零電阻的特點(diǎn)，因此能量可以通過(guò)超導(dǎo)線圈中的電流進(jìn)行存儲(chǔ)，然后在需要時(shí)使用。

    金屬氫不僅具有變革人類在地球上生活的巨大潛力，同時(shí)作為世界上已知的最強(qiáng)力的火箭推進(jìn)劑，它還將幫助人類探索遙遠(yuǎn)的太空。

    席爾瓦拉解釋道，”金屬氫的制備消耗了大量的能量。因此，如果將它轉(zhuǎn)化回氫分子，將釋放所有蘊(yùn)藏的能量，這將使得金屬氫成為人類已知的最為強(qiáng)大的火箭推進(jìn)劑，并徹底的變革航天領(lǐng)域。“衡量火箭燃料燃燒效率的單位是”比沖量“，即推進(jìn)劑從火箭后方噴射的速度，它的單位是秒。目前，最為強(qiáng)大的液態(tài)推進(jìn)器的比沖為450秒，而金屬氫的理論比沖竟達(dá)到了1700秒。

    席爾瓦拉說(shuō)，”這將使得探索外行星變得輕松許多。金屬氫的重要性體現(xiàn)在：火箭的發(fā)射階段將從現(xiàn)在的兩個(gè)減少到一個(gè)。與此同時(shí)，我們還能夠?qū)⒏蟮挠行лd荷送入軌道。“此外，為了達(dá)到能夠創(chuàng)造這一全新材料的苛刻條件，席爾瓦拉和迪亞茲選擇了地球上最為堅(jiān)硬的一種材料———金剛石。

    但是，他們所使用的金剛石并不是天然鉆石，而是兩塊經(jīng)過(guò)精心拋光的合成金剛石。這兩塊金剛石在使用之前經(jīng)過(guò)了特殊處理，使其變得更加堅(jiān)固。隨后，這兩塊金剛石相對(duì)地安裝在金剛石對(duì)頂砧上。 

    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

    席爾瓦拉說(shuō)，”我們使用鉆石粉對(duì)金剛石的表明進(jìn)行了拋光處理，但是它可能會(huì)破壞金剛石表面的結(jié)構(gòu)，剝離碳原子。當(dāng)我們使用原子力顯微鏡對(duì)鉆石表面進(jìn)行觀察時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了一些缺陷。而這些缺陷可能會(huì)削弱材料的強(qiáng)度，并有可能引起材料的斷裂。“席爾瓦拉繼而介紹說(shuō)，為了解決這一問(wèn)題，他們使用了反應(yīng)離子蝕刻工藝，從金剛石的表面刮削出一層僅為5微米厚的微小薄層 —— 該厚度僅為人類頭發(fā)直徑的十分之一。隨后，他們將金剛石的表面涂覆上了一層氧化鋁薄層，以防止氫擴(kuò)散到金剛石晶體結(jié)構(gòu)中，引起材料脆化。

    在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)四十多年的不懈耕耘后，席爾瓦拉坦言，他第一次親眼見(jiàn)證這一材料，內(nèi)心無(wú)比激動(dòng)。這一天，距離金屬氫第一次在理論層面上提出，已經(jīng)過(guò)去了近一個(gè)世紀(jì)！

后研究員蘭加·迪亞茲（Ranga Dias）與本次發(fā)現(xiàn)使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備

    他說(shuō)，”這真的十分讓人激動(dòng)。那時(shí)候研究團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，大家都認(rèn)為我們很有可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。后來(lái)他們給我打電話說(shuō)，‘樣品閃閃發(fā)光！’我馬上跑下去看，發(fā)現(xiàn)真的是金屬氫！“希爾瓦拉教授激動(dòng)地回憶道。”我立即說(shuō)，我們必須進(jìn)行測(cè)量確認(rèn)，所以我們隨后重新安排了實(shí)驗(yàn)室……我們就是這么做的。“”這是一項(xiàng)無(wú)與倫比的成就，即使金屬氫只能在這種金剛石對(duì)頂砧中存在，這一發(fā)現(xiàn)都可以稱得上是至關(guān)重要的革命性成果。“

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責(zé)任編輯：王元

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