高壓物理圣杯：中國高科技材料取得重大突破！
來源公眾號：戎評
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在劉慈欣的科幻小說《中國2185》之中，有一種東西讓戎評印象深刻，那就是金屬氫。
在小說中，北京的金屬氫制造廠在燃燒，汽車使用的高能燃料也是金屬氫。
毫無疑問，在讀到這里的時候，我們都會認為那是科幻小說，他們只會出現在科幻世界里，他們還與我們相隔太遠，太遠。但是他們卻是讓我們感受到了科技的魅力。
其實，科幻也是建立在事實之上的，科幻里的東西也許某一天就真的猝不及防出現在你的面前，那你看到的那一瞬間必然欣喜若狂。
也許，在我們的努力之下，不用等到2185年，大劉小說中的那個場景就會出現在我們面前。
12月2日，據科技日報報道，近日，中科院合肥物質科學研究院固體所極端環境量子物質中心團隊在極端高溫高壓條件下成功獲得了氫和氘的金屬態，這是固體所量子中心研究團隊繼成功合成流體金屬氮之后在輕質元素高壓研究上取得的又一重要突破。
研究人員基于金剛石對頂砧裝置并結合脈沖激光加熱技術，在實驗室中創造出了可模擬地核的極端溫度壓力條件，將氣態的氫和氘成功轉變成流體金屬態；并利用超快寬帶超連續光譜探測到了樣品的光學吸收、反射特征，揭示了流體金屬氫和氘的光、電等物理特性。
研究結果明確了流體金屬氫和氘的存在區域，并進一步說明這種金屬態需要經歷相當寬的高溫高壓半金屬區域才能夠獲得。
戎評相信，大多數讀者在看到這則新聞的時候不僅會浮現出這樣一連串的問題：
什么是金屬氫？
金屬氫有什么用途？
大年初一，國產科幻電影《流浪地球》上映，在《流浪地球》中，有這樣一個情節，讓觀眾印象深刻：
為了使地球脫離木星軌道，主角劉啟一行人計劃用蘇拉威西轉向發動機點燃木星，產生爆炸，從而推開地球。
這個情節的設定是建立在一定的事實基礎之上的，木星是一個氣態行星，主要由氫氣組成，當氫氣與氧氣結合，達到一定比例后解除火源就會發生爆炸，產生能量。
氫氣，這是氫元素在地球自然界中的單質存在形式，那么，是怎么樣讓這些飄忽不定的氣體變成金屬的呢？
氫，是一種化學元素，從門捷列夫總結出第一張元素周期表開始，氫就是第一個元素，隸屬于第一主族。
對于第一主族的元素，在中學的化學課程中，老師一般都有詳細的介紹，第一主族是堿金屬，鋰鈉鉀銣銫鈁，這些都是金屬中極其活潑的存在，自然界中幾乎沒有單質存在。
但是唯獨氫顯得格格不入，氫有穩定的單質存在，氫也表現出非金屬的性質。
那么，為什么會將氫放在第一主族里呢？
對于這一點，其實，化學老師應該都講過了，將氫列在第一主族是因為他們的最外層電子數都是1。
這就不得不說氫原子的構成了，氫原子包含一個正價的質子和一個負價的電子。在離子化合物中，氫原子可以得一個電子成為氫陰離子（以 H-表示） 構成氫化物，也可以失去一個電子成為氫陽離子（以 H+表示，簡稱氫離子）。
由于每個氫原子只有一個電子，構成一個分子的兩個氫原子平均共享那兩個電子。沒有剩下的電子。
同樣，由于氫離子的特性，氫離子具有極強的還原性，具有堿金屬的特性，氫列入第一主族實至名歸。
科學家們也是一群不安分的人，既然氫原子具有堿金屬的特性，也位列于第一主族，那么肯定有變成金屬的潛力。
1935年，諾貝爾物理獎得主尤金.維格納和物理學家希拉德.亨廷頓預測，在高壓之下，氫會轉變成一個氫原子分配一個電子，且電子可以自由移動的金屬狀態，類似堿金屬。
60年代，通過高壓，人們制備了“金屬碘”，漸漸的，磷、硫等等單質也被高壓征服，只有氫還依然停留在理論當中，不過理論與實踐的距離被進一步拉大。
隨著科技的進步，人類對太空的探索與研究逐漸升級，木星上的氫引起了科學家們的猜測，據他們預測，在木星地核處的強大壓力和低溫下，存在液態和固態的金屬氫。木星的磁場也說明了這一點。
同樣，隨著科技的進步，理論物理學家們發現當時他們計算的壓力結果太過離譜，所以一次次修正了臨界壓力，時至今日，研究認為金屬氫相變的壓力要達到500 GPa。
這里，就有兩個問題，第一，高壓之下，到底是如何形成金屬氫的；第二，500 GPa的壓力怎么達到。
第一個問題其實很簡單，氫氣在重壓之下，分子間能帶重疊，形成分子金屬氫，然后分子鍵逐步斷開，形成原子金屬氫。
換種說法就是氫氣內部是雙原子分子，共價鍵鏈接。金屬氫內部是金屬鍵連接，一個個原子排排坐。
舉個例子，想象一個教室里有幾十對基友，時而一對對擠在教室角落時而一對對滿教室亂跑，這時候老師對他們拼命施加壓力：“你們這樣不行呀，考不上大學的呀”。壓力越來越大，他們只好戀戀不舍的分開，回到自己座位上，排成一個整齊的形狀，積蓄著巨大的怒火。
原理很簡單，但是技術如何實現呢？
500 GPa是什么概念呢？可能很多人不理解。
GPa是壓強的單位。換算一下，就是1 GPa=1000 MPa ，500 GPa也就是500000 MPa，而一個標準大氣壓強為0.1 MPa，也就是說，500 GPa=5000000個大氣壓。而地心的壓力約為360 GPa。
早期，研究中所用到的高壓設備主要分為動態壓縮和靜態壓縮兩種。
動態壓縮的動力主要是炸藥，高能炸藥爆炸瞬間的爆壓可以達到30~40 GPa，通過多次傳導放大，可以達到百萬大氣壓的量級。其次，還可以通過強磁場或者等熵壓縮法，也可以達到同等級別的壓力。但是沖擊波持續的時間過短，大概在微秒量級， 很難進行進一步的觀測。
靜態壓縮主要通過大型水壓機或者其他壓力設備達到，優缺點和上面的動態壓縮是對應的，難以達到很高的壓力，但是可以持續很久。
由于高壓技術的限制，對于金屬氫的探索也僅僅只限于理論上，直到有人發明了黑科技 ——金剛石對頂砧。
我們都知道，壓強=壓力/受力面積，當能施加的壓力達到極限時，可以通過減小受力面積來獲取更高壓力。
由于金剛石的高硬度、高導熱性和對于高能X射線、射線、低能紫外線、紅外線、可見光的透明度，在加壓的同時也能方便觀察，甚至可以用激光加熱至> 7000 K，所以沒有比金剛石更能勝任這一工作的材料。
在金剛石對頂砧中，兩個對頂金剛石壓砧和帶有樣品的空腔組成高壓容器，在高壓下，氫分子鍵逐漸斷裂，逐漸形成原子金屬氫。
為了保證金剛石的力學性能，所以不得不用高凈度和完美切工的金剛石來完成工作，如果壓力過高，金剛石也會碎裂。
此外，過高的壓力還可能使氫原子/分子滲透進金剛石中，改變其力學性能等性質，也會嚴重影響其極限壓強。
金剛石對頂砧是目前人類所能制造的最大壓強的方法，并且用這一方法，“成功制取”了金屬氫。
2017年1月26日，據路透社報道，哈佛大學科學家艾薩克?席爾維拉和朗加?迪亞斯在《科學》雜志上發布了獲取金屬氫的相關報告，宣布成功制取金屬氫。此次試驗，哈佛科學家利用金剛石對頂砧容器技術（DAC）在495GPa下獲得了金屬氫。
席爾維拉在哈佛大學發布的新聞公告中說：“制備金屬氫是高壓物理學的圣杯，這是地球上首個金屬氫樣本。”
但是不幸的是，由于操作不當，一個月不到，地球上的首塊金屬氫消失了。
在研制成功后，他們嘗試用低功率激光器測量壓力時，聽到了微弱的“咔嗒聲”，表明其中一塊金剛石已碎成微塵。艾薩克說，“我的心沉到谷底”，這一災難性的失敗使樣本消失了。他們認為，金屬氫可能消失在位于兩個金剛石之間、被用來裝金屬氫的金屬“襯墊”內；也可能因為不穩定，在常溫常壓下變成了氣體。
從此以后，美國再也沒有人稱之制造出金屬氫。
因此，對于美國是否造出了金屬氫，業界內一直存在質疑之聲，畢竟在成功兩年多之后，他們再也沒法制造出金屬氫。
他們公布研制成功的時間點也很值得推敲，幾乎就在同時，來自中國南京理工大學化工學院胡炳成教授團隊成功合成了世界首個全氮陰離子鹽。
美國人到底是成功研制了金屬氫，因操作不當消失了，還是沒有研制出金屬氫我們已經不得而知。
但是我們知道，這一次中國是真真正正的研制出了金屬氫，而且是在高溫高壓的條件下研制出了金屬氫。
中國占領了新一代超高能含能材料研究國際制高點。
看到這里，很多讀者朋友會疑惑：戎評，你說了這么多，似乎還沒說到重點啊，這個東西到底有什么用？為什么人們要費盡心力來研制金屬氫呢？
在百度百科當中，對于金屬氫有這樣一則評價：一旦金屬氫問世，就如同當年蒸汽機的誕生一樣，將會引起整個科學技術領域一場劃時代的革命。
顯然，在科學界中，金屬氫有著特殊的地位，而金屬氫也對得起這樣的評價。
首先，金屬氫具有高溫超導性。超導體，就是指在某種溫度下，電阻為零的導體。
沒有電阻，會極大推動現有電子技術的進步，日常使用的電子技術，都是基于有電阻的電路，在電力的運輸過程中，會造成極大的損耗。
據統計，用銅或鋁導線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達1000多億度。
而使用超導體輸電，那么這些損耗的電能就可以節省下來，節省的電能相當于新建10個大型發電廠。
當然，零電阻的特性遠不止電力傳輸的應用，在所有的電子設備中，超導體具有無可比擬的作用。
超導體不僅僅具有具有零電阻的特性，另一個重要特征是完全抗磁性。
抗磁性的特性使得磁懸浮高速列車成為可能。利用超導材料的抗磁性，將超導材料放在一塊永久磁體的上方，由于磁體的磁力線不能穿過超導體，磁體和超導體之間會產生排斥力，使超導體懸浮在磁體上方。
金屬氫是一種亞穩態物質，可以用它來做成約束等離子體的“磁籠”，把熾熱的電離氣體“盛裝”起來，這樣，受控核聚變反應使原子核能轉變成了電能，而這種電能將是廉價的又是干凈的，在地球上就會方便地建造起一座座“模仿太陽的工廠”，人類將最終解決能源問題。
當然這一切的前提，都得在能大規模應用的前提下。
其次，金屬氫可應用于軍事上。
理論計算表明，金屬氫在常溫高壓下是穩定的，在常壓下可能以亞穩態存在。但金屬氫一旦變成氫氣，其放能的量極為巨大。
據科學推算，金屬氫在鍵能斷裂時所釋放的能量是HMX 的25倍，TNT的30-40倍，且遠遠大于任何化學能源的能量密度，而僅次于湮滅、核裂變、核聚變、核同質異能素。
最為重要的一點，由于氫的元素特性，以金屬氫為原材料制成得炸藥不會產生任何污染。因此，將金屬氫作為新一代的“核武器”使用，就不用擔心受到核污染所制約了。
因為釋放的能量巨大，使得金屬氫成為火箭推進劑的最佳選擇，并徹底變革航空領域。
衡量火箭燃料燃燒效率的單位是“比沖量，即推進劑從火箭后方噴射的速度，它的單位是秒。目前，最為強大的液態推進器的比沖為450秒，而金屬氫的理論比沖竟達到了1700秒。
我們離星辰大海又更近了一步。
當然，這所有的一切前提都得是在金屬氫能夠批量生產，且能穩定保存的條件下進行。
從目前來看，想要大規模的應用還為時尚早，金屬氫更多的還是處于理論研究階段。
但是，已經研制出了產品，離應用還會遠嗎？就如同發動機已經能轉動了，離汽車上路還會遠嗎？
一直以來，網絡上都有這樣一種言論：中國人喜歡研究歷史，美國人喜歡研究科學，所以中國一直沒有科學，中國人要向美國人學習！
一股濃濃的公知體彌漫而來。首先從歷史的角度來說，美國只有兩百多年的歷史，要他們去研究什么？研究對印第安人的大屠殺？研究北美大陸的黑奴？亦或是研究他們如何侵占墨西哥的土地？
更何況，美國人也喜歡歷史，他們之中不乏優秀的歷史學家，而且其中很大一部分是研究中國歷史的，如費正清、孔飛力等等。
古人有言：以銅為鏡,可以正衣冠，以史為鏡，可以知興替,以人為鏡,可以明得失。
悠久的歷史，是中華民族的寶藏，從歷史中，我們可以得到的東西太多太多。只有銘記歷史，才能展望未來。
歷史，可以說的上是我們的根。只有根基牢固了，大廈才會更堅固。
對于科學而言，我們確實需要學習美國，美國的科技是比我們先進，世界上先進的科學技術也幾乎都是最先源自于美國。這是客觀事實。
但是有一點戎評必須說明，搞科技，不是空中樓閣，而是修金字塔，是要一步一個腳印走向去的。我們的科學起步比別人晚，我們偷偷補課，用時間去趕上他們。
所以，過去我們走的是美國人走過的路。
但是如今，我們落下的功課已經在逐漸補齊了，我們已經敢上來了，我們也正在走美國人沒有走過的路。
正如2017年，中國研制出了全氮陰離子鹽，美國研制出了金屬氫。
如今，中國研制出了金屬氫，美國的金屬氫卻消失了！
搞科學，中國人不比美國人差。
中國人要有自信，我們不僅會學歷史，還會搞科技！
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