人類夢寐以求的金屬氫，還要再等90年？

金屬氫作為未來的一種高密度、高儲能材料，一直是人類夢寐以求的能量物質。90多年來，人們一直在試圖製造出以金屬形態存在的氫氣，併為此付出不懈努力，但穩定的金屬氫樣品始終沒能得到。

從理論上來看，在超高壓下得到金屬氫是可能的。一旦夢想成真，將給世界科技帶來革命性變化。不過，要真正得到金屬氫樣品，還有待科學家們進一步研究。

最誘人效能 傳說具有室溫超導能力

早在1935年，英國物理學家就預言，在一定的高壓下，任何絕緣體都能變成導電的金屬，不同材料轉變成導電金屬所需的壓力不同。

金屬氫指的是液態或固態氫在超高壓下變成的導電體，由於導電是金屬的特性，故稱為“金屬氫”。成功產生金屬氫，不僅意味著人類找到了一種全新的高密度、高儲能材料，而且可能會使科學技術發生革命性變化。

這一發現的意義如此巨大，以至於世界上多個研究小組都曾宣稱自己成功獲得了金屬氫，但他們的競爭對手卻又對此表示高度懷疑。

這種普通元素的“金屬版”為何如此受重視？金屬氫研究的倡導者列舉了一些例子。比如，金屬氫轉化為氫分子時，會釋放出大量熱能，它可能成為一種突破性的火箭燃料。又如，據說像木星這樣的氣體巨星的核心就是由金屬氫這類物質組成的，因此有行星科學家認為，如果我們能在實驗室裡成功製造出金屬氫，也許就能更好地瞭解這些行星是如何形成的。不過，金屬氫最吸引人的效能是傳說中的室溫超導能力——它允許電流在不損失任何能量的情況下流動。

澳大利亞的海倫·梅納德·凱斯利說，基於所有這些原因，一項實驗如果成功產生了金屬氫，那將是轟動科學界的大事件，“我想金屬氫的研究者都希望能獲得諾貝爾獎”。

把氫壓成金屬 承受比地核更高壓力

儘管潛力誘人，但要製造出金屬氫，其過程艱難而曲折。

先說說氫的獨特特性。氫是宇宙中最豐富的元素，但同時也是宇宙中最簡單的元素。由一個單電子組成的氫，與鋰、鈉、鉀這類鹼性金屬一同位於元素週期表的第一列，鋰、鈉、鉀這三種元素都以固體形式存在於地球上，且能夠導電。而氫通常以氣體形式存在，要想把它變成一種金屬，必須讓每個氫原子核都緊密地結合在一起，使它們的電子變得“不受位置限制”，也就是說，讓它們可以在原子周圍自由移動，從而產生導電能力。

最早認識到這種轉變可能性的是物理學家尤金·維格納和希爾拉德·貝爾·亨廷頓，他們早在1935年就作出預測，要讓氫像它在元素週期表中的鄰居表現得一樣，關鍵是壓力——超大的壓力。

在極大的壓力下，氫分子間的距離將變得很近很近，迫使本來圍繞原子核運動的電子變成穿梭在整個高壓態氫塊中的自由電子。這樣的氫塊將表現出金屬的性質——固態、堅硬、有顏色和具有導電性，這種氫結構被稱為“金屬氫”。

要做到這一點，需要近400千兆帕斯卡（GPa）的壓力，即大氣壓的400萬倍，相當於一枚小小針頭上要承受一架大型噴氣式飛機的重量。至少在實驗室裡實現這樣大的壓力是很有挑戰性的。“事實上，施加超過100GPa的壓力，就很少人能夠做到。”凱斯利說。

科學家正在為製造金屬氫需要的超大壓力付出不懈努力。最早接近這個壓力的時間是1998年。一個由美國紐約康奈爾大學和馬里蘭大學的工程師組成的團隊，在被稱為“金剛石鐵砧”的材料上為氫樣品施壓。

“金剛石鐵砧”實際上是一對超銳利的金剛石，它的尖端十分細小，大約只有頭髮絲直徑的四分之一。雖然很小，但研究人員可在這些尖端之間捕獲一些氫分子。接下來，他們設法將兩個金剛石鐵砧推擠到一起，擠壓它們中間的這些氫分子。最終，在弄壞了15對金剛石鐵砧後，研究人員終於設法將尖頭之間的壓力調至342GPa——這個數值已接近地核內部。從理論上來說，這個壓力應該足以讓氫金屬化，但氫分子仍然無動於衷。

四年後，法國原子能委員會（CEA）的保羅·勞拜爾領導的研究小組認為，這樣的結果本在意料之中。估算氫產生金屬性的壓力值，是根據氫原子中可利用電子的兩種截然不同能態之間的“間隙”來進行測量的——壓力增加，間隙會縮小，從而改變電子吸收光或發射光的方式。在間隙即將閉合、材料變成金屬之前，氫的電子會吸收光，但不發射光，這就導致材料變得越來越不透明。然而，一旦間隙完全閉合，電子能夠以自由運動的導電體的形式存在時，它們將重新發射吸收的光能，使材料具有高度的反射性。

根據觀察推斷，勞拜爾和同事們認為，讓氫轉變為金屬態需要大約450GPa的壓力。

金屬氫樣品 爭議中誕生又“不小心”丟失

又過了13年時間，產生金屬氫的目標終於達到了。事實上，最終壓力已達495GPa，研究人員也目睹了氫獲得金屬性的過程。至少，美國哈佛大學兩位研究人員迪亞斯和伊薩克·西維拉，於2017年在《科學》雜誌上發表的一篇同行評議論文中是如此宣稱的。在美國哈佛大學釋出的一份新聞稿中，西維拉將這項成果稱為“高壓物理學的聖盃”。

但勞拜爾並不認可這樣的說法。他在接受《自然》雜誌採訪時表示，“這篇論文根本沒有說服力”。這是因為論文所謂獲得的金屬性，只是基於對氫的反射率的測量結果：在495GPa時，它變得發亮了。但還可能存在其他原因，比如金剛石尖端上氧化鋁塗層在巨大的壓力下，也有可能會改變氫的反射性。

而且，壓力讀數是根據金剛石在高壓下的振動方式推斷出來的，而非直接測量得到的，因此聲稱所獲得的壓力未能說服其他研究人員，勞拜爾認為壓力可能不超過350GPa。

位於德國美因茨的馬普化學研究所的米哈伊爾·埃雷梅茨也在嘗試製造金屬氫。他和同事亞歷山大·德羅茲多夫表示，哈佛研究者所發表的資料中還找不到令人信服的金屬氫證據，“除了引用來自鑽石表面塗層反射率變化來表明可能性外，壓力測量也模糊不清，並不明確”。

顯然，現在需要做的是：重複實驗。但說起來容易做起來難，因為這種實驗是自毀式的。

迪亞斯和西維拉一直對氫樣品的脆弱性很擔心，這也是為什麼他們限制測量數量和範圍的原因。更重要的是，在公佈了他們具有里程碑意義的成果，準備進一步研究時，他們發現樣品消失不見了。

時隔兩年之後，他們仍然不知道它發生了什麼，金屬氫的碎片——如果真的已轉變為金屬氫的話——只有10微米厚，可能是從兩個金剛石砧的夾持下滑出，滑到儀器底部丟失了，或者也有可能是蒸發了。但他們仍然堅稱“非常有信心，我們觀察到了金屬氫的存在”。

爭論中前行 金屬氫發現之門終將被開啟

科學家之間的這場爭論也為最終發現金屬氫打開了大門。

2019年6月，勞拜爾在一篇題為“接近425GPa時向金屬氫轉變的一級相變觀測結果”的論文中提出了他們的看法。這篇論文是他和在CEA的同事弗洛朗·奧塞利，以及法國同步加速器SOLEIL研究機構的保羅·杜瑪斯共同撰寫的。

“我們展示了在接近425GPa的壓力條件下，一個從絕緣體分子固態氫到金屬氫的相變。”他們認為，之所以能夠達到這個壓力，是因為奧塞利幫助開發了一種新的金剛石鐵砧。

埃雷梅茨認為，這些觀察結果很有趣，但遠不是結論性的。迪亞斯指出，為了證明金屬態的存在，這兩件事中至少有一件要得到證明：一是證明當溫度接近絕對零度時，電導率仍是限定的；二是證明材料的反射率隨著波長的增加而增加——但他認為這兩點都還沒有顯示出來。

迪亞斯還指出，許多觀察結果，實際上其他研究團隊以前已經看到過了。埃雷梅茨也說，這些“新”的結果中有很多都是以前報道過的，其中一些就是由他的研究團隊報告的。

對於梅納德·凱斯利這樣的外部觀察家來說，獲得確切答案的唯一途徑，就是等待他們的論文發表在同行評議的期刊上。“作為一名科學家，我不得不尊重同行評議的意見。”她說。

我們如何看待這些實驗和爭議呢？我們是否還要為未來的終極能源再等上90年？也許不會。迪亞斯和西維拉聲稱，他們重複了之前的實驗，並觀察到了同樣的結果。“大約一年前，我們在高壓下複製了一個樣本，但由於技術原因，我們無法測量壓力，所以我們沒有發表。”西維拉說。

迪亞斯後來調到了美國羅切斯特大學，“我正在建造一個新的實驗室，一個具備製造金屬氫能力的實驗室。我相信我們能夠複製這項研究”。

科學家們不會被動等待，越來越多的人在為此而努力，雖然有可能同時會有三四個人在重複對方的工作，而且每個人都會聲稱自己是第一個。美國拉斯維加斯內華達大學研究高壓系統的阿什坎·薩拉馬特說：“開發金屬氫是我們的共同目標。儘管我們不知道它會是液態還是固態，或者是室溫超導體，我們現在需要做的就是共同努力來回答這些問題。” （方陵生/編譯）

本版題圖：視覺中國

來源：文匯報