高压让氢气呈现出全新结构,更接近金属

作者: 杰西·埃姆斯帕克

来源: 环球科学

发布日期: 2016-01-12

科学家通过高压实验,首次在室温下实现了氢的第五种物质状态,这种新结构可能接近于理论预言的固态金属氢。实验在英国爱丁堡大学进行,研究人员使用金刚石砧将氢气压缩至384吉帕斯卡,观察到氢的结构变化,并通过激光拉曼散射证实了新物质结构的存在。尽管尚未确认是否达到金属氢状态,但这一发现为理解气体巨行星内部结构和探索室温超导体提供了新的视角。

科学家给宇宙中最轻的元素——氢加上难以置信的高压,得到了一种崭新的物质结构:氢V(即氢的第五种物质状态)。这种结构很可能是20世纪30年代提出的所谓“原子固体金属氢”的前身。理论预言,只要把温度降得足够低,通常情况下为气态的氢气就能变成固体,而再加上足够高的压强,它就能变成金属。

行星科学家认为,像木星这样的气体巨行星的内部也有着极高的压力,因此其内部很可能就是由类似固态氢的物质组成。因此,通过人为制造超高压来压缩氢气,也能帮助科学家了解气体巨行星的内部结构。

在英国爱丁堡大学,一名博士生Philip Dalladay-Simpson正在导师Ross Howie和Eugene Gregoryanz的指导下将一小部分氢气输进两个金刚石砧(diamond anvil)之间,随后将压强加到384吉帕斯卡(GPa,我们地球的大气压约为100千帕斯卡,这个压强相当于大气压的384万倍)。

理论预言,当压强达到325GPa时,氢就会开始固化,氢原子形成层状结构,每层的原子在规则与混乱排布之间来回转换,而这是人类首次在室温下实现氢的该种结构。

“我们的压强和温度都在先前工作的基础上实现了大幅提升。”Dalladay-Simpson说。液态氢已经可以在工业中通过低温和数十个大气压的压强生产出来,但至今为止还未曾有人将氢变成固体。

任何物质的沸点都会随着压力的上升而上升(反之下降),如果你住在西藏,水的沸点就比内地低一些,烹饪的方式也要发生变化。而对于氢,就需要加上极高的压强才能把它的沸点提高到室温,让它在室温下液化,甚至凝固。

2011年,德国马克斯·普朗克化学研究所的研究者宣称他们制造出了金属氢,但该结果受到了其他科学家的质疑,一直没有得到确认。Dalladay-Simpson说他们的团队也不能说制造出了金属氢,但发现了氢的一种新结构,接近于金属。所有的材料都有不同的结构状态,在物理学和化学上称为“相”(phase)。固、液、气就是三种最常见的相,而在极端条件下还有更多的相产生。

为什么高压会让氢产生不同的相呢?这是因为高压迫使原本两两组合成氢分子的氢原子都挤到了一起,形成类似冰一样的结构,原本的分子与分子之间作用力增强,但仍然弱于分子内两个氢原子之间的作用力。“加压让原子与所有邻近的原子都挤到一起,迫使分子之间发生相互作用,氢—氢键也开始断裂。”Dalladay-Simpson说。

那么,怎么证明氢的结构发生了改变呢?研究人员用激光照射它,发现它的拉曼散射波长发生了改变,这表明出现了一种新的物质结构。

“我们的论文并没有说发现了氢的金属态,只说这是金属态的前身,因为它和理论预言的固态金属氢有相似之处。”目前在中国上海高压先进科研中心任职的Howie再次强调。研究者还不能确定得到的相是不是金属,因为金刚石砧之间的间隙太小了,他们无法把电极放进去测定该物质的电导率。

为了得到确定无疑的金属态,研究人员还需要进一步提高压强,至少得达到400到450GPa,而这么高的压强可能已经超过了金刚石砧所能达到的极限,会让金刚石也粉身碎骨。Dalladay-Simpson表示,他们未来计划进一步提高压强,看看金刚石砧能撑多久。而其他技术目前为止都无法很好地用来压缩氢气。

“对氢气进行压缩处理极为困难,因为它很轻,容易从容器中泄漏出去,同时化学活性又很强,易与其他材料发生化学反应。”Howie说。

不过科学家没有被这些困难所吓倒,仍然打算进一步推进研究。有理论预测液态金属氢可能是一种室温超导体,这也给他们的研究带来了一些应用前景。

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