氢气也能“点气成金”

邬裔

在美國国家点火装置（NIF）实验室中，小小测试室里的氢样品正承受着巨大的压力。压力是如此巨大，以至于氢气改变了状态，变成了液体。不过，这才只是开始，在压力逐渐变得更大时，小液滴还要经历一系列的变化。

氢是宇宙中含量最多的元素，木星和土星等气体行星的主要组成成分就是氢，不过在行星内部，氢的存在形式并不是气态的，而是金属氢。因此，小小的氢液滴的变化可以告诉我们很多关于木星和土星等行星的情况。同时，固态的金属氢将会是一种神奇的未来材料，它可以作为燃料，让航天器飞得更远;还可以作为超导体，让电流毫无阻力地流动。

简单物质的多种状态

氢有三种同位素：氕、氘、氚，自然界中99.985%的氢为氕，它有着世界上最简单的原子结构，一个质子外围绕着一个电子。另外，氘的原子核由一个质子和一个中子组成，在大自然中的含量一般约为所有氢元素的七千分之一。而氚的原子核由一个质子和两个中子组成，它具有放射性，在自然界存在极少。在实验室里，还可以用人工方法合成氢的另外4种同位素： 氢4、氢5、氢6、氢7。

在我们的自然界中，氢主要以氢气的形式存在，它由两个原子结合在一起，形成一个分子。不过，随着压力和温度的改变，原子的密度和排布都会改变，因此氢实际上有多种状态。在常压下当温度降低到-252.88℃时，氢就会成为液体，再降低到-259.125℃时，氢就会变为固体。

但是在高温下，随着压力增加，氢气会先变成清澈的液态氢，此时分子可以自由地流动;再变成一种不透明的液态氢，此时液体内部既有分子也有原子;最后分子键完全断裂，变成一种由原子组成的液态金属氢气。最后随着压力增大，氢原子核整齐排列在一起，电子可以自由地移动，此时为固态金属氢状态。

目前，研究人员的重点在于液态和固态的金属氢。2018年8月，美国NIF实验室的研究人员找到了将氘转变为金属形式的准确方法，条件为726.85℃以上的温度和200万大气压力。尽管实验室中的液态金属氢十分不稳定，但是可以让研究人员了解一些液态金属氢的性质，比如液态金属氢是否是一种超流体液体。

如果液态金属氢是超流体液体，它将对科学家理解气体行星内部的运动模式和外部磁场情况起到至关重要的作用。据天文学家推测，木星和土星等气体行星的内部存在着液态金属的海洋，这些巨行星的80%是由液态金属氢构成的，而不是单纯的气体。在超流体液体中，粒子流动不会遇到任何阻力，一旦液体开始运动，便可以无限地运动下去，这很可能是木星具有强烈磁场的原因。

寻找固态金属氢

制造固态金属氢的道路虽然任重道远，但是一旦成功，就将带来金属氢研究领域的重大飞跃。

固态金属氢的研究始于1935年，当时美国物理学家尤金·威格纳和希拉德·亨廷顿预测，在超大的压力下，氢气可以转化为具有金属性质的固体物质，而且原子结构要紧凑10倍。同时固态物质一旦产生，即使在常压下也能保持其状态和金属性质，就好比钻石一样。钻石由碳在地球内部的高压和高温下形成，当钻石从地下被开采出来时，它仍能保持紧凑的原子结构，而不是膨胀成石墨。

科学家最接近成功的一次是在2017年，美国哈佛大学的科学家在极低的温度下，利用金刚石对顶砧（由相对的两颗金刚石和密封垫组成，样品置于金刚石和密封垫中央）对氢样品施加了495万倍的大气压力（地核压力为大气压的360倍左右）。随着压力的逐渐加大，氢从一种不能导电的透明绝缘体转变成一种黑色半导体，最后转变成一种光泽耀眼的金属固体。此时，氢原子之间的作用力转化为金属键，氢核外的电子摆脱了束缚，原子核共享一群电子。

令人遗憾的是，这颗世界上唯一的金属氢存在仅一个月左右就消失了。固态金属氢生成后便一直被保存在金刚石对顶砧中，在样品被送往美国阿贡国家实验室之前，研究人员想利用激光最后测试一遍压力，结果造成金刚石破碎，固态金属氢样品就这样掺杂在金刚石的碎屑中，找不到了。现在科学家们一直在改进和重复该实验。

未来的技术革命

今天，许多火箭都是由液氢（在一个标准大气压，温度为-253℃的条件下，液化制备而成）驱动的，如果我们使用固态金属氢作为燃料，当它燃烧时，会先从固态转化为氢气，此时，固态金属氢变成氢气时的能量都将被释放出来，然后再燃烧。因此，与液氢燃料相比，这种超级金属能够产生更大的能量。研究人员预测，固态金属氢的效率是液氢的3.7倍。

现代火箭往往要在太空中航行很长一段时间，因此需要很多燃料，为此需要装备有巨大的燃料箱，火箭往往很大。一旦固态金属氢研制成功，未来的火箭可以变得更轻便更高效，大大降低太空航行的难度和成本。

除了作为燃料，固态金属氢的另一重要应用是作为超导体。目前的超导体必须用液氮冷却到-269℃才能保持极低的电阻率，这既昂贵又需要能量。然而根据理论预测，固态金属氢是一种室温下的超导体，电阻率为0。这可能为一场技术性革命铺平道路，我们可以将来自绿色能源的电储存在由固态金属氢组成的大型超导线圈中，由于电阻率完全为0，电流在其中流动不会消耗任何能量，可以一直流动下去。

虽然研制固体金属氢、并实现商业量产化的道路看上去还很长，但每个新技术的开始都是困难的。随着近几年该领域的突破，相信我们很快就能在室温下看到氢金属块了。