将气态氢转化为固态金属的竞赛

科学家们正在探索关于氢最难以捉摸的相——固态金属氢的线索。发现它的奖励可能是室温超导性——这将是世界首创。但是，研究小组正在采取不同的路径来实现相同的目标，有些人现在质疑如果他们真的到达那里，他们会发现什么。

金属氢的概念最早由尤金·维格纳和希拉德·贝尔·亨廷顿在1935年提出，他们推测在巨大的压力下，分子氢晶格将分裂成原子氢，电子自由地在材料中流动。两人都认为，只有将氢置于至少25GPa的压力下，这种状态才会显现出来。

英国爱丁堡大学的尤金·格雷戈里安茨表示，以今天的标准来看，这只是一个相当保守的估计。他的小组在2016年1月发现了金属氢的前驱体。“他们不知道氢的可压缩性有多强，”格雷戈里安茨说。他指出，研究人员已经达到了比25GPa高10倍的压力，但仍然没有发现氢的金属态。

关于支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章，请考虑订阅我们的获奖新闻报道以支持我们。 订阅。通过购买订阅，您将有助于确保关于塑造当今世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。

现状

格雷戈里安茨的小组正在通过将气体置于两个金刚石扁平尖端之间来探索氢在室温下的状态。尖端在金刚石压砧电池（DAC）中慢慢靠拢，电池的温度保持在300K。使用这种方法，该团队已经实现了高达388GPa的报告压力——这种压力通常是行星中心才有的——但他们仍然没有发现金属氢。

然而，通过使用拉曼光谱探测受压的氢，格雷戈里安茨和他的同事们能够揭示该元素的转变。气体最初转变为液态分子氢，然后迅速采用固体形式。随着压力的增加，氢分子从一种独特的晶体排列方式重新排列到另一种，但金属相仍然难以捉摸。

到目前为止，研究人员已经发现了固态氢的几个相。在很大程度上，这些结构看起来像较重化合物的常见晶体排列方式。在室温下，在高达约180GPa的压力下，旋转的氢分子落入松散的六边形晶格中，称为I相氢。在超过180GPa的轻微压缩后形成III相，共价键将分子锚定到六边形三聚体中。如果您能够进一步压下它，IV相将在230GPa时出现，并且自由旋转的氢分子将滑入三聚体层之间。但是所有这些相都是分子排列，与金属材料无关。

然而，今年早些时候，格雷戈里安茨的团队在325GPa以上发现了第五相。研究人员认为，这一相是部分离解的分子氢，可能在某种程度上类似于IV相的结构。这对研究人员来说是诱人的：进一步挤压可能会将这种V相固体转变为原子金属氢。

细微的差异

但有一个小组声称他们已经看到了V相之外的相，并且它可能是金属性质的。在类似的设置中，但将硫化氢置于压砧下，而不是纯氢气，米哈伊尔·埃雷梅茨和他在德国马克斯·普朗克化学研究所的同事在2016年1月，爱丁堡小组发表文章一周后宣布，V相出现在较低的压力270GPa下。他们还宣布VI相氢在360GPa以上形成，尽管在200K以下。

“我们声称我们不仅发现了两个相，而且其中一个相是导电氢，”埃雷梅茨说，他认为VI相很可能是金属的。

这个新相是否能被学界证实还有待观察。但是，处理这种不确定性是一项艰巨的任务，并且考虑到金刚石压砧中的极端条件，很难验证结果，格雷戈里安茨表示。“要复制它非常困难——没有多少小组可以将氢气装入DAC，”他说。“然后，你必须有一个质量非常好的光学设置。”

如果不是这样，研究人员可能会损害实验。“当达到400GPa时，你谈论的是2微米的样品尺寸，”格雷戈里安茨解释说。在如此小的样品尺寸下，用于拉曼分析的入射激光将不可避免地被金刚石部分吸收。根据格雷戈里安茨的说法，如果不谨慎使用激光，它将迅速加热珍贵的压砧，并且金刚石可能会在电池中破裂。

钻石是永恒的

但一些小组可能正在冒险使用激光来加热氢本身，例如美国的艾萨克·西尔维拉和他在哈佛大学的同事。这使他们走上了一条与格雷戈里安茨和埃雷梅茨的小组不同的通往金属氢的道路。

“你可以[将氢]升到比如说[100— 200MPa] … 然后将其加热到液相，”西尔维拉评论道。通过在室温下对氢气施加“适度”压力，它将采用固体形式，此时西尔维拉和他的同事会提高温度以产生液体。他接着解释说，当这种液态分子相转化为液态原子态时，应该像金属一样表现。

为了实现这一点，再次将氢气在金刚石压砧中加压，但在设置上有一个关键的区别——金刚石尖端上涂有半透明的钨膜。通过使用激光脉冲加热薄膜，该团队能够快速加热氢气，同时还使用光探测氢气的反射率和透射率。他们估计氢气可以加热到2200K。

西尔维拉断言，短暂的激光脉冲不会破坏金刚石，平均而言，它们将保持在室温下。“如果你加热几百纳秒，就有足够的时间达到热平衡，”他说。“我们非常幸运——我们几乎没有损失金刚石。”

这使他们有机会在桑迪亚国家实验室的Z机器探索的领域中工作，该机器是一种能够产生2700万安培的电脉冲发生器，其中氘受到极端的冲击波和磁场的作用。

然而，使用一个普通的金刚石压砧，西尔维拉的小组观察到在这些高温下，氢反射的光量急剧增加——这是绝缘体到金属转变的典型指标。但是，该团队还不能明确地声明他们已经发现了纯原子金属氢。

最后的领域

对于格雷戈里安茨来说，这些进入未知的尝试性步骤令人兴奋，但他不确定这项探索最终会发现什么。他解释说，在如此高的压力下，金属氢可能仅以超流体的形式存在——一种奇异的、无摩擦的物质状态。随着压力的增加，氢原子具有越来越多的能量，这可能会使稳定的固态永远无法实现。

如果金属氢是超流体，研究人员可能会得到一种难以理解的材料。“我们知道的所有超导体都是固体的……而所有超流体都是绝缘体，”格雷戈里安茨评论道。“这种液态氢将同时是超导体和超流体——从未观察到过这样的东西。”

考虑到他们正在探索高压科学的极限，学界不愿排除固态金属氢的可能性。但有一件事是肯定的，据格雷戈里安茨说。“你必须非常非常小心你所说的和你说的方式，”他说。“很多人都在自欺欺人——这是令人难以置信的。”

本文经化学世界许可转载。本文最初于2016年3月30日发表。