金屬態氫

金屬態氫

金屬態氫是一種簡併態物質,是雙原子分子H2的同素異形體。當氫氣被充分壓縮,經過相變後便會產生金屬氫。 金屬態氫是由原子核(即質子)組成的晶體結構,其原子間隔小於玻爾半徑,與電子波長長度相當(參見德布羅意波長)。電子脫離了分子軌道,表現為一般金屬中的傳導電子。而在液態氫中,質子沒有晶格次序,質子和電子組成液態的系統。 2016年1月,英國愛丁堡大學科學家利用鑽石對頂砧製造出某種極端高壓狀態,從而生成“第五狀態氫”,即氫的固體金屬狀態。

產生

早在80多年前,這種狀態的氫首次在理論中被提出。從40多年前開始,科學家們一直在努力嘗試再造這種狀態的氫,但均未能成功。2016年1月,英國愛丁堡大學科學家利用鑽石對頂砧對氫實施壓縮到前所未有的高壓狀態,從而證實了這種罕見的“金屬態氫”的存在。“金屬態氫”狀態不穩定,科學家此前也從未見過“金屬態氫”。

氫在高壓擠壓下,會變成有良好導電性質的液體。根據理論推測,土星和木星等類木行星的內部,就有液態金屬氫。

雖然氫元素位於元素周期表鹼金屬列頭,但氫氣在常態下並不是鹼金屬。在1935年,物理學家尤金·維格納和 Hillard Bell Huntington預測,在250,000個大氣壓(約25GPa)下,氫原子失去對電子的束縛能力,呈現出金屬性質。此後的實驗表明,對壓力的最初假設不足。理論計算表明使氫氧金屬化需要更高的壓力,但是仍然是可通過實驗可得到的。

特性

超導性

N. W. Ashcroft提出,金屬氫在常溫下(290K)也可能是超導體。

熔點

質子質量是He的四分之一大。在常壓下,由於高零點能,質子在絕對零點附近也呈現液態。同樣的,質子在密集的狀態下,零點能也很高,在高壓縮狀態下,有序能會降低。壓縮氫的最高熔點目前還處於爭論之中。

製取

世界各國正通過多種途徑來產生超高壓製取金屬氫。比較成熟的有兩種方法,一種叫動態壓縮法,即是從強磁場中採用快速衝擊壓縮,獲取高壓來製取金屬氫。另一種叫靜態壓縮法,即產生100~200萬大氣壓的靜態高壓,壓縮液氫來製造金屬氫。

英國愛丁堡大學科學家為了達到“第五狀態”,研究團隊所實現的壓力相當於325萬個地球大氣壓。科學家們利用雷射顯微拉曼光譜儀觀測到了這種狀態的變化,從而通過實驗證明了氫的這種不尋常特性。

存在

金屬氫被認為會存在於一些大質量的行星內部,如木星,土星,和一些新發現的太陽系外行星等,由於行星內部實際溫度要高於以前的理論預測,因此,金屬氫可能比預計的更多和更靠近行星表面。

套用

有可能產生大量的金屬氫的實際用途。有理論稱亞穩態金屬氫(簡稱MSMH)在壓力釋放之後,可能不會立即恢復成普通氫氣。

MSMH是個有效而且乾淨的能源,最終產物只有水。MSMH燃燒時,會比普通氫氣更劇烈,將會釋放九倍於普通氫,五倍於目前太空梭燃料(液態H/O)的效果。

2016年一月英國科學家在愛丁堡大學,利用鑽石對頂鑽的高壓,製造出了金屬氫,從而證明其存在。

新的發展

英國愛丁堡大學科學家近日利用鑽石對頂砧製造出某種極端高壓狀態,從而生成“第五狀態氫”,即氫的固體金屬狀態。這是一種新的物質形態,這種狀態的氫通常存在於大型行星或太陽核心之中,分子分離成單原子,電子的行為特徵像金屬電子一樣。

早在80多年前,這種狀態的氫首次在理論中被提出。從40多年前開始,科學家們一直在努力嘗試再造這種狀態的氫,但均未能成功。此次英國愛丁堡大學科學家利用鑽石對頂砧對氫實施壓縮到前所未有的高壓狀態,從而證實了這種罕見的“金屬態氫”的存在。“金屬態氫”狀態不穩,科學家此前也從未見過“金屬態氫”。

太陽和太陽系的大型行星的核心主要由這種高壓形式的元素構成。比如,木星和土星的核心被認為主要由這種形態的元素構成。該項研究主要負責人、英國愛丁堡大學物理和天文學學院科學家尤金-格雷高里安茲教授介紹說,“在過去30年間,在無數次的高壓實驗中,科學家們都聲稱製造出金屬態氫,但後來這些實驗結果都被證明無效。我們的研究首次拿出了實驗證據證明氫可以像預測的那樣擁有固體金屬態,不過所需要的壓力也比此前想像的要高得多。研究成果將有助於基礎科學和行星科學的發展。”

英國愛丁堡大學研究團隊利用鑽石對頂砧製造出某種極端高壓狀態,即生成“第五狀態氫”所必需的壓力狀態,將氫壓縮成新的固體狀態。為了達到“第五狀態”,研究團隊所實現的壓力相當於325萬個地球大氣壓。科學家們利用雷射顯微拉曼光譜儀觀測到了這種狀態的變化,從而通過實驗證明了氫的這種不尋常特性。

在這種極端高壓狀態下,分子開始分離成單原子。研究人員發現,電子的行為與金屬電子的行為特徵相似。儘管此次實驗比此前的實驗邁進了一大步,但科學家承認還需要繼續努力加以佐證。此外,為了生成單純的原子和金屬狀態可能還需要更大的壓力。

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