岩漿中的巨大能量——流體金屬氫

　　來源：中國科學院合肥物質科學研究院
　　氫，是元素週期表中位於第一位的元素，好像天生就有不同尋常的地位。這個自然界中最小的原子，具有怎樣不同尋常的“大神通”呢？我們帶大家走進氫的世界，回顧氫的前世今生，展望氫的未來。
　　在十六世紀氫氣的發現過程中，氫似乎就具有不一般的特性：“把鐵屑投到硫酸裏，就會產生氣泡，像旋風一樣騰空而起”。英國化學家卡文迪什發現，如果把它和空氣混合在一起，一遇火星就會爆炸。1787 年，法國化學家拉瓦錫正式提出“氫”是一種元素，因爲氫燃燒後的產物是水，便用拉丁文把它命名爲“水的生成者—<em>Hydrogenium</em>”。
　　其實從這些早期最基礎的研究中，已經可以直觀地瞭解到氫的種種特性：第一，容易大量產生；第二，能夠燃燒和爆炸；第三，生成物是水。這表明，一種新型的易生產的綠色高能燃料被發現了。這就是氫——一種即將對人類的今天以及未來產生重大影響的元素。
　　現在，氫已經成爲一種重要的工業原料，全世界生產的氫氣約有2/3 用於合成氨工業；氫氣在氧氣中燃燒的氫氧焰達 3000℃高溫，可用於熔融和切割金屬；利用氫的同位素氘和氚的原子核聚變時產生的能量能生產氫彈；液態氫，作爲最理想的火箭燃料，與液態氧混合燃燒可以產生大約等於 350 的比衝量；美國於 2002 年提出了“國家氫動力計劃”，短短十幾年來，氫燃料電池已經在高速車輛、巴士、潛水艇等現代交通工具上實現了應用。
　　然而，這遠遠不是氫的利用極限，近一百年以來，科學家爲另外一件事進行了前赴後繼的研究，這就是“金屬氫”。1935 年，普林斯頓大學 Wigner 和 Huntington 預言，在一定的高壓下，氫可能會變成一種鹼金屬；1968 年，Ashcroft 提出疑問，根據 BCS 理論，金屬氫可能是一種高溫超導體。根據最新的研究進展，實驗室已經合成了超導轉變溫度 200 K 以上的氫化物高溫超導材料，被 <em>Nature </em>雜誌選爲 2019 年十大科學突破。金屬氫的室溫超導夢，或許真的可以實現。
　　然而，金屬氫的合成異常困難，金屬氫的研究也在爭議中曲折前進。單純就合成條件而言，室溫下合成金屬氫需要高於 400 GPa 的極端壓力，這甚至遠高於地核中心 360 GPa 的壓力。2017 年，哈佛大學研究團隊曾宣佈合成了人類歷史上第一塊金屬氫，然而這一結果在當年 8 月國際高壓科技會議上被多位科學家質疑。而 2019 年德國科學家的最新研究結果表明，處於同壓力下的氫可能還是半金屬。
　　爲解決以上難題，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所極端環境量子物質中心的科研團隊（以下簡稱“量子中心團隊”）結合金剛石對頂砧裝置和脈衝激光加熱技術，尋求極端高溫高壓條件下合成流體金屬氫的可能性。
　　研究發現，在壓力-溫度的共同驅動下，氫分子會逐步解離爲氫原子，並伴隨發生絕緣體-半導體-金屬的轉變。超快寬帶超連續光譜幫助研究人員原位測得了氫樣品在連續相變過程中的吸收特徵和反射特徵。
　　經過對多輪實驗結果的分析，結果顯示 150 GPa-3000 K 以上的溫度壓力條件下氫樣品出現了強烈的金屬反射光澤，其反射率最高達 50%，證明合成了流體金屬氫。“金屬氫”被認爲是高壓領域的“聖盃”，其研究在過去幾十年裏一直推動高壓實驗技術和理論模擬的不斷髮展完善。流體金屬氫的成功合成，得益於高溫高壓實驗技術與超快光譜探測的完美結合，這是繼 2018 年量子中心團隊成功合成高能材料“金屬氮”以來，在輕物質的絕緣體-金屬轉變研究上又一突破。
　　金屬氫能夠幫超導材料甩掉低溫的包袱，使其在更廣泛的環境中得到應用，比如用金屬氫輸電，可以取消大型的變電站而輸電效率在 99% 以上，大大提高了全世界電量的利用率，降低了輸送成本；如果用金屬氫製造發電機，其重量不到普通發電機重量的 10%，而輸出功率可以提高几十倍乃至上百倍。不僅如此，金屬氫更是一種綠色高能燃料，是目前已知的含能密度最高的常規燃料，其能量儲存在化學鍵中，無需氧氣助燃即可釋放大量能量，如果能夠組成燃料電池應用於現代交通工具，城市將變得十分清潔。
　　或許，金屬氫寶藏的大門已經緩緩向我們打開。