金属氢消失,氢对钢材的危害

氢元素是宇宙中含量最多的元素，并且它也是元素周期表中第一种元素，隶属于第一主族。

在高中化学中，我们知道第一主族是碱金属，比如锂钠钾铷铯钫等，都是非常活泼的金属，可位于第一主族第一位的氢元素却有点格格不入，因为它表现出的是非金属性质。

但科学家认为氢作为第一主族的元素，应该有可能具有金属的性质。

早在1935年，理论物理学家尤金·维格纳（Eugene Paul Wigner）就曾作出预测，随着压力的增加（大约要达到地球表面大气压的400万倍），固态氢将会呈现出导体的性质，这也意味着此时的氢可以导电。

随着这一预测的提出，世界各地的科学家都试图来寻找金属氢，但要创造如此高的压强来验证理论是极其困难的。

经历了半个多世纪，科学家虽然依旧没有窥见金属氢的真容，但法国、美国和德国的许多科研团队在压缩氢、以及探测氢在高压下特性等方面已取得了长足的进展。

金属氢的首次出现

直到2017年1月，来自哈佛大学自然科学系教授伊萨克·席尔瓦拉（Issac Silvera）和他的博士后研究员兰加·迪亚兹（Ranga Dias）宣布他们发现了这个星球上最有价值的材料：金属氢。

相关论文发表于1月26日出版的《科学》杂志上。

而为了得到这种极其稀有的材料，寻常的方法肯定是做不到的，因此科学家发明了一种金刚石压砧（Diamond Anvil Cell，简称DAC）的方法。

简单来说，压强是物体所受压力与受力面积之比，当我们施加的压力达到极限的时候，可以通过减少受力面积来增大压强。

不好理解的可以想象下女孩子用圆头鞋踢你疼还是用尖头鞋踢你更疼...

席尔瓦拉和迪亚兹正是运用了金刚石压砧，在超低的温度下，他们将一小块氢样本放在了金刚石的砧面（金刚石的尖端，直径大约为50微米），并设置了红外光测量氢的反射率，来判断它是否金属化。通过不断施加外力，两颗金刚石之间的压强最终达到了495Gpa。

在如此高的压强下，他们惊喜的发现原本黑色的固态氢逐渐变得具有金属光泽，样品的反射率也从黑色变为高反射率，这正是金属具有的特性。

样品氢在不同压强下的状态：透明态、不透明态和金属态

不过这一研究发表后，也有科学家提出了质疑，认为他们发现的金属光泽或许不是来自于金属氢，也有可能是来自于氧化铝，因为实验之前席尔瓦拉团队在金刚石表面镀上了一层氧化铝以防止氢扩散到金刚石晶体结构中。

面对这些质疑，最好的反击方式当然是实验数据，因此席尔瓦拉团队准备继续观察金属氢的更多特性，可当他们用低功率激光器测量压力的时候，却传出了一声微弱的“咔嗒声”，这是其中一块金刚石没有承受住如此高的压强而碎成了粉尘，这也意味着唯一一块金属氢样本随之消失了。

金属氢的再次出现

时隔两年之后，由法国原子能委员会Paul Loubeyre领导的研究小组宣布他们几乎发现了金属氢的存在。

欧洲同步加速器实验室

这项研究最早出现在arXiv物理预印本上面，六个月之后，该研究正式发表在最新的《自然》期刊上。

与哈佛大学席尔瓦拉团队类似， Loubeyre和他的团队也是采用“金刚石压砧”的方法，只不过他们进行了改进，设计了一种新的金刚石压砧，称为“环形金刚石压砧”，这种金刚石的尖端设计可以承受更高的压强，免得像之前一样，金刚石扛不住过高的压强而粉碎。

通过实验，Loubeyre发现了氢样本在不同压强下对光的反射率。

当压强为1Gpa时，样品氢对于可见光和红外光都是透明的；

图源：nature

当压强升高至300Gpa时，样品氢变成固态，可见光已经不可穿过，只有能量比可见光更低的红外光可以穿透固态氢。

图源：nature

随着压强增加到425Gpa时，固态氢的反射率急剧增大，这时候，可见光与红外光都不可穿透，这也意味着此时的固态氢可以阻挡所有的光，已经变的不再透明。

图源：nature

而研究人员认为，固态氢在极端压强和低温下呈现出的光学反射率不连续且可逆的变化，正是固态氢变成金属氢的一个有力证据。

只不过这还不能作为金属氢出现的“实锤证据”，实际上，研究人员也没有断言他们观测到的就是金属氢，就像他们论文标题所指出的，他们发现的是“固态氢可能过渡到金属氢”的证据。

中心的红色部分可能是金刚石中分子变化而是不是氢造成的

现在来说，如果真要证明金属氢的存在，其实只需在高压低温下对氢样本的导电性进行测试，如果氢样本可以展现出高水平的导电性，那么基本上就可以证明金属氢的存在。

然而，要给这种状态下的氢样本做导电测量是一件很难完成的事，因为这意味着金刚石的尖端需要连上微型电极，并将电极与少量的固态氢接触，目前来说，很难做到如此精确的连接。

虽然Loubeyre的实验还无法给出“我们已经创造了金属氢”这样结论性的科学声明，但该领域的科学家普遍认为这一实验结果几乎是证明金属氢产生的决定性证据。

或许现在，金属氢还只能存在于金刚石压砧中，但再过个十年乃至二十年，金属氢将在太阳的照耀下熠熠生光。

参考资料：

https://www.nature.com/articles/d41586-020-00149-7

https://gizmodo.com/80-year-quest-to-create-metallic-hydrogen-may-finally-b-1835815725

https://gizmodo.com/after-an-80-year-quest-scientists-have-almost-certainl-1841332239

https://science.sciencemag.org/content/355/6326/715

“金属氢”终于被制造出来了吗？

金属氢氢元素的一种存在状态，但不要认为金属氢是固体的，其实大部分情况下，金属氢都是液体（想想水银）。
为什么叫“金属”？
金属氢之所以被称为“金属”，是因为氢原子的唯一电子使得它可以表现得就像金属一样可以导电（想想IA族其他金属元素如锂、钠、钾等性质有一定的相似性质），但不同的是金属氢是一种超流体，具有超导性质（没电阻）。

在高压和高温下，金属氢才可以液体而非固体形式存在，科学家们认为，木星、土星和一些大型的气态行星因为内部重力形成的高压就会在其大气层下深处形成大量的金属氢。
上图：从透明的氢气转变为由原子紧密结合成的金属氢。只有钻石可以耐受这个压力强度。
金属氢人工制造出来了吗？
1996年3月，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一组科学家报告说，他们偶然地首次制造出了金属氢，在数千开尔文的高温下压力大约为1 微秒，压力超过1,000,000个大气压，密度约为为0.6克 /厘米3。他们没有想到会产生金属氢，因为他们并不需要在实验中使用金属氢——只是个副产物，何况这实验的运行温度已经高于氢金属化的理论温度上限。之前的研究将固体氢气放在金刚石砧内压缩至高达2,500,000个大气压都没有检测到金属氢的存在。
上图：网络媒体报道《世界上唯一的金属氢样本消失了》
哈佛大学的制备的这丁点金属氢是世界上唯一稳定保存的金属氢样品。这份金属氢气的储存温度约为80开尔文（-193摄氏度和-316华氏度），而用来保存样品的两块钻石之间的压力非常高。

事故发生在2月11日，当时该团队正准备将这个珍贵的样品打包并运送到芝加哥的阿贡国家实验室进行进一步测试。原因可能是之前的一次测试导致钻石产生了破裂（钻石都能破裂？！OMG），从而导致装置失压，研究人员就再也没看到原来的金属色。

但这并不一定意味着制备的金属氢已经被破坏，因为样品厚度仅为1.5微米左右，钻石微孔单元的直径为10微米——是人类头发直径的五分之一（两块钻石凹凸相互挤压）， 因此这些金属氢也可能仍然保持稳定并聚集在某处，只是没找到而已。但另一种可能性是，钻石砧的压力泄掉，氢气就会变回气体，这表明金属氢在室压下无法稳定——这是研究预测的情况之一。
上图：金属氢的形成过程和原理示意。从左到右，依次从透明的分子氢到黑色的氢半导体再到原子化的金属氢。
为什么争着制造金属氢？
因为金属氢有这些潜在的用途：
上图：以液氢冷却的金属氢燃料单级火箭的各种参数预估。
结语
人类在实验室类已经多次成功地以不同的方式制造出了金属氢。液氢具有非常多实用价值，我们可以期待在未来数年内科学研究在液氢的制造方面有所突破。

2017年初，哈佛大学研究人员在《科学》上发文称，在高压低温下发现了金属氢，一时轰动科学界。如果这属事实，那么他们毫无疑问将获得诺贝尔奖。

金属氢是一种传说中的物质。元素有金属与非金属的差别，金属一般具有导电性，却具有金属光泽，基本在常温下为固体（只有汞为液体）；非金属，则一般为绝缘体，只有极少数属于导体（如碳）和半导体（硅）。

但按照粒子的构成，元素之间是能够在压力之下进行转换的，也就是说，金属可以变非金属，非金属也可以变成金属。如 在大约20年前， 分子氧已经被证明在大约100万倍大气压下变成了一种金属。

那接下来的问题就来了，氢，这种非金属，能变成金属吗？

80年前，科学家们就做出了这样的结论，但直到今天，我们还没有亲眼见到过金属氢。按照科学家们的论断，在太阳等恒星，以及行星内核，都有金属氢的存在。

理论应该是正确的，那么怎么才能把氢变成金属氢呢？

首先是极高的压力，大约相当于488万个大气压，然后还需要-200°上的低温，才能得到金属氢。哈佛大学正是在这一温度下宣布制成了金属氢的。
这是一个很神奇的过程，氢原子在高压之下排列越来越紧密，越来越紧密，最终它们肩并肩地占到了一起，最终也从透明变成了不透明。

金属氢如果一旦能够制备，那人类的材料史将会向前迈进超级一大步。

金属氢是一种类似金刚石（钻石），具有亚稳态的特性，即一旦形成，就不会再变回气体氢。而金属氢因为没有电阻，所以人类可以用它来实现梦寐以求的0损耗输电。
同时，以为金属氢里含有超级大的能量（形成过程耗费极大能量），所以它将是人类能源史的一次革命。火箭飞天如果用金属氢，那去个火星将不再困难。

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2017年1月26日，美国研究人员宣布可能最终能够产生金属氢，这是一种复杂而难以捉摸的状态，金属氢最早是在80多年前理论化的。
美国哈佛大学的兰加·迪亚斯博士和艾萨克·西尔维拉教授成功地将氢气冷却到-268℃，同时将其压缩到令人震惊的480万个大气压。

难以置信的高压是通过使用钻石砧座实现的。但这不是一个简单的方法。多年来，科学家们一直试图应对这种压力，直到现在科学家们才做到正确的设置。
金属氢以前从未制造过，因为钻石在达到足够高的压力之前就已经失效了，科学家不使用天然钻石，而是使用非常均匀的合成钻石，天然钻石具有不均匀性、内部缺陷和杂质。

标准状态下氢是一种分子气体，其原子成对结合，每个原子与另一个原子共享一个电子。当氢被放在钻石砧座之间时，压力增加。
在320万大气压的压力下，氢气变得不透明(因此得名黑色氢)并且也是半导体。但是只有更高的压力才能破坏分子键并产生金属氢相。这种气体似乎变成了金属，具有金属原子所具有的预期特性。科学家认为金属氢是固体，但无法通过实验证实这一点。
确认该实验是否可重复非常关键。虽然美国科学家非常自信，但其他人对此表示怀疑。

氢的这一特殊阶段最早是在1935年由魏格纳和亨廷顿预测出来的，从那时起，实现这一点就成了“高压物理学的圣杯”。但是维格纳和亨廷顿对必要压力的估计是错误的。他们认为金属氢可以在250000个大气压的压力下获得，几乎比哈佛研究人员声称的要小20倍。
为了科学，创造金属氢的能力不仅仅是科学的胜利。理解宇宙中最丰富元素的金属性质具有多学科影响。
金属氢被认为在压力消除后在室温下是亚稳定的，因此可以用于核聚变。它也被认为是高温超导体，如果得到证实，这将是一个超级性的突破。甚至天文学也可能从这一发现中受益——木星、土星和系外行星的核心可能由金属氢构成。

金属氢是什么？

氢在自然界100多种化学元素中可以称得上“老大哥”了，因为其原子序数为1，所以即使对化学知识了解很少的人，也会首先想到它。氢也正是由于其得天独厚的地位，因而引起了科学界的广泛瞩目。

氢作为化合物的形成存在于我们的周围，已被人们广泛认识，如我们饮用的水(H2O)，就是同氢和氧化合而成的物质，我们胃内的胃酸即盐酸(HCL)也是一种氢的化合物。其实在我们机体的细胞组织中含有的氢离子(H＋)则更多了，它们在我们生命的活动中，起到重要作用。氢以非化合物形式存在，我们也对此有些了解，如液态的氢是目前航天领域中独领风骚的动力燃料，其燃料所产生的热能远远超过了我们现已知的可用性燃料，并且其体积小、重量轻，已成为航天器中最为理想的动力来源。

在氢为我们创造了大量的不朽杰作的同时，人们不禁又突发奇想，氢在常态下是以气体的形式出现，能不能将其制成金属呢？这种想法不是没有科学道理的，因为与氢同属一族的其他元素都是金属，惟独氢是气体，这看起来似乎不应该，那么有没有什么办法将氢制成金属呢？

英国物理学家贝纳尔早在60多年前就曾做出一种预测，只要有足够的压力，任何非金属物质均能够变成金属。因为在极大的压力下，可以使原子之间的化学键受到破坏，使原子间距缩小，从而原子间的相互作用大大加强，将原来只能在一定分子轨道上运动的电子变成自由电子。这样，该自由电子就变成各个原子所共有，从而形成具有自由电子的金属了。按照贝纳尔的设想，科学家们便着手于这项巨大的工程研究，结果是令人惊奇的，科学家们在超高压的作用下，已成功地将非金属物质如磷、硒、硫等变成了金属，使之成为了既有金属光泽，又有良好导电性的金属物质。进入20世纪80年代，科学家们又成功地将氖气在32万大气压和32K的条件下变成了金属氖，随后又在100万大气压下成功地制成了具有金属光泽的氧。于是人们又开始向更高的尖端进发了，他们要制出金属的氢。

据科学家分析，金属氢将具有极为特殊的性质，如常温超导性、高导热性以及高储能密度。当然，这些仅仅是科学家们的推测，至于金属一旦制成，是否真的像人们所想象的那样，目前还一无所知。人们一次次的尝试均失败了，然而这更激发了科学家们的斗志和探求精神，终于人们在超高压压力机下得到了一线希望。当超高压压力机达到100万个大气压时，人们在两个压砧之间通入纯度极高的氢气，并且将温度降至4.4K时，奇迹发生了，人们终于在两个压砧之间得到了一种具有金属光泽，(其电阻率不足原来百分之一的金属氢)更值得欣慰的是，当人们将超高压力减少时，其仍能稳定地处于金属状态，这无疑为那些苦苦探寻金属氢的科学家们注入了一针强心剂，于是他们又开始向更新的阶梯攀登。但是，目前摆在我们面前的困难还很多，如超高压机的研制、开发，金属氢常温下能否稳定存在，以及将来能否大批量地生产与制造，这一切我们无法告诉人们。至于这个美好的构想能否实现，还有待于时间来回答。