半月談?dòng)浾?張漫子

“壓力太大，我方了”——人真的能變“方”嗎?當(dāng)然不至于。這句“網(wǎng)言網(wǎng)語(yǔ)”，形容的是網(wǎng)友在壓力之下心情變化大，與日常判若兩人。有誰(shuí)愿意想一想，自然界中的元素，如果施以超強(qiáng)的高壓，會(huì)發(fā)生怎樣根本性的變化?

科學(xué)家就很想拿氫來(lái)試一試。這種宇宙中最輕、最簡(jiǎn)單也最古老、最豐富的元素，在元素周期表上有個(gè)略“尷尬”的位置——身在第一主族的它，身邊的鋰、鈉、鉀之類都是所謂堿金屬，唯有它是非金屬!氫就永遠(yuǎn)不可能成為金屬嗎?

90年前，著名物理學(xué)家維格納曾預(yù)言，極高壓下，固態(tài)氫可以呈現(xiàn)出金屬的性質(zhì)。后來(lái)有人算了一下，讓氫金屬化的壓力得有500GPa(1GPa等于1萬(wàn)個(gè)大氣壓)——相當(dāng)于一架停在針尖上的大型噴氣式飛機(jī)對(duì)針尖施加的力。

高壓之下，氫到底會(huì)不會(huì)“方”，徹底變成金屬?最近，中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一點(diǎn)線索。

氫“變形記”

5月14日，《自然》發(fā)表了一項(xiàng)北京高壓科學(xué)研究中心毛河光院士團(tuán)隊(duì)的重大成果：憑借一種極特殊的“顯微鏡”——X射線納米探針，他們窺見了高壓(212-245GPa)下固體氫復(fù)雜排列的形貌。

這是迄今人類發(fā)現(xiàn)的固體氫最精細(xì)的結(jié)構(gòu)。雖然還未能一睹氫導(dǎo)電的實(shí)態(tài)，但新發(fā)現(xiàn)距離為金屬氫“畫像”無(wú)疑又近了一大步。

氫在高壓下的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，是一個(gè)引人入勝的過程。大家都知道，氫在常溫常壓下以氣態(tài)存在，如果周遭壓力上升，氫分子間的距離就會(huì)不斷壓縮。當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，氫分子就不能再自由“游蕩”，而是被迫聚集在一起，形成液態(tài)氫。液態(tài)下的氫分子運(yùn)動(dòng)范圍受到顯著限制，但排布仍保持一定隨機(jī)性，就像一群被迫挨近的舞者，雖然空間有限，仍試圖踏出各自的舞步。

當(dāng)壓力繼續(xù)增加，達(dá)到約5.5GPa時(shí)，液態(tài)氫開始轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。這時(shí)，氫分子排布漸漸有序，一層層羅列如跳棋子。壓力升高到約190GPa時(shí)，氫結(jié)構(gòu)有了更妙的變化：一部分排列近于蜂窩狀的氫原子，與作跳棋式排列的氫分子交疊在一起。

用論文第一作者、北京高壓科學(xué)研究中心研究員吉誠(chéng)的話來(lái)說(shuō)，低壓下的氫分子就像是自由散步的士兵，而高壓下的固態(tài)氫則像是士兵開始列隊(duì)，壓力再高些，兩軍就要布陣對(duì)壘了。

什么因素導(dǎo)致了這樣的變化?科學(xué)家告訴我們，這取決于原子間的相互作用力(范德華力)。不同壓力作用下，范德華力發(fā)生變化，導(dǎo)致了氫原子排列方式的調(diào)整，從而形成我們觀察到的不同結(jié)構(gòu)。

那么，你也許會(huì)問，這么微妙的過程，科學(xué)家是怎么“看”到的呢?

要怎樣“看”?

探測(cè)氫在高壓下的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，首先得有真正稱得上“高壓”的環(huán)境?？茖W(xué)家為此發(fā)明了一個(gè)“法寶”——金剛石對(duì)頂砧。

已完成實(shí)驗(yàn)并破碎的金剛石樣品被編上號(hào)、貼上標(biāo)簽保存起來(lái)

簡(jiǎn)單說(shuō)，這個(gè)設(shè)備是由兩枚鉆石組成的。將兩顆超鋒利的金剛石尖對(duì)尖放置，擠壓封存在當(dāng)中的氫分子。當(dāng)高壓氫的樣品直徑被壓到僅有一根頭發(fā)絲的1/10時(shí)，加諸其上的壓力已高達(dá)數(shù)百個(gè)GPa。

高壓的實(shí)現(xiàn)只是一瞬間的事，怎樣在此等電光石火間“捕獲”氫結(jié)構(gòu)?

科學(xué)家請(qǐng)出同步輻射光源來(lái)幫忙。這個(gè)大裝置能發(fā)出比太陽(yáng)亮度還亮1萬(wàn)億倍的光。當(dāng)極亮的X光穿透金剛石照射在高壓氫上，科學(xué)家就有可能窺見固體氫原子如何排列，“照片”也就拍下來(lái)了。

當(dāng)然，這個(gè)過程無(wú)法一蹴而就。高壓科學(xué)家在一代又一代的同步輻射光源上絞盡腦汁，一步一步刷新固態(tài)氫晶體結(jié)構(gòu)的探測(cè)極限。從1988年的26.5GPa，到1996年的120GPa，再到2010年的180GPa，卻始終難以突破200GPa的關(guān)卡。

終于在2019年，毛河光團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出兩種新探測(cè)技術(shù)，成功將氫的結(jié)構(gòu)測(cè)量極限提升至250GPa，不過照片清晰度仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。經(jīng)過近6年努力，而今他們終于捕獲氫開始變“方”的珍貴證據(jù)，刷新人類對(duì)氫結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。

“實(shí)際上，借助X射線探測(cè)有把握確認(rèn)的是原子周圍電子云的位置，還不能直接確定原子確切位置?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)理論計(jì)算負(fù)責(zé)人、吉林大學(xué)物理學(xué)院副院長(zhǎng)劉寒雨教授說(shuō)，“我們必須配合基于分子動(dòng)力學(xué)的理論計(jì)算，才能把握氫精確的晶體結(jié)構(gòu)?！?/p>

向金屬氫進(jìn)發(fā)

金屬氫，像喜馬拉雅山那些巍峨山峰的峰巔，始終藏在極端條件的迷霧里?？茖W(xué)家求索高壓下的固態(tài)氫，只因?yàn)樗麄兿嘈?，這條路能讓金屬氫“真相大白”。而金屬氫，實(shí)在有太多令人激動(dòng)的玄機(jī)。

金屬氫的核心特征是導(dǎo)電性——當(dāng)氫原子的電子在極端壓力下擺脫共價(jià)鍵的束縛，展開一片自由移動(dòng)的電子海洋時(shí)，它能夠像金屬般導(dǎo)電。

更令人興奮的是，能導(dǎo)電的金屬氫極可能是一種室溫超導(dǎo)體——能夠在零電阻的情況下導(dǎo)電。室溫超導(dǎo)對(duì)人類生活意味著怎樣的革命，在此不必贅述。試想，僅僅是“遠(yuǎn)程電力傳輸自由”一項(xiàng)，就能帶來(lái)何等的產(chǎn)業(yè)革新?更不必說(shuō)量子計(jì)算、磁約束可控核聚變等尖端科技由此可望獲得的推動(dòng)力。

從基礎(chǔ)研究角度說(shuō)，探明金屬氫的存在，可能刷新我們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。這樣一種既是超導(dǎo)體又是超流體(可以反重力地由低處流向高處)的凝聚態(tài)材料，是此前的凝聚態(tài)物理理論很難想象的。其帶來(lái)的震撼，可不止于“改寫教科書”。

金屬氫還將有望為人類理解宇宙增添一把鑰匙。天文學(xué)家相信，木星和土星內(nèi)部存在巨大的金屬氫海洋。這些行星的磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)超預(yù)期，正是金屬氫導(dǎo)電產(chǎn)生的電流在驅(qū)動(dòng)。通過研究金屬氫，科學(xué)家不僅能驗(yàn)證行星內(nèi)部的物理模型，還可能為恒星演化、星系形成等更宏大的宇宙學(xué)謎題找到新解答。

最簡(jiǎn)單的元素，卻有最不可思議的變化。追尋金屬氫，科學(xué)家念茲在茲的，是“物理”兩個(gè)字本來(lái)的含義——物質(zhì)世界最深層、最奇妙的道理。

編輯：范鐘秀