氢气也能作为超导材料吗?

2020年4月3日 分类:石墨烯新闻 作者:中国数字科技馆

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在材料科学领域,研究者们致力于寻找那些在极端条件下也能够展现良好性质的材料。例如,能在超低温下呈现零电阻性质的材料、具有超高能量密度的材料等等。寻找这些材料通常是从传统的成果中入手,但有一些研究者却把目光转向了我们所熟悉的、最简单的氢。

氢是元素周期表中最轻的一种元素,氢元素构成的氢气是最轻的气体。如果要将氢作为一种材料加以应用,就需要将标准状况下的氢气转换为固态氢或者液态氢。在传统方法下,这种转换需要极大的压力。早在上世纪三十年代,科学家就已经提出“金属氢”的构想。在极高的压强条件下,氢气可以呈现出金属的性质。但是,氢气本身很轻,容易泄露;化学活性又很强,极易与其他物质发生反应,因此很难在容器中保存,这就给加压带来了许多不利条件。在技术没有得到突破性进展的时期,“金属氢”一直只能是一种畅想。

近年来,科学家逐步掌握了一些理论上可行的制备“金属氢”的方法。例如,著名学术期刊《科学》上就刊载了来自哈佛大学的研究成果。研究者从加压容器上着手,他们使用特别打磨和加工的金刚石作为表面,防止氢气泄漏,确保顺利加压。另一方面,氢气样本本身被冷却到接近绝对零度,以避免其他因素的干扰。当压强增加到将近495万倍标准大气压时,容器中的氢开始出现反射率的变化。研究者认为,这个现象意味着氢分子的化学键被打开,形成排列有序的晶体。

然而令人遗憾的是,这一块在极端条件下才制成的“金属氢”,却因为后续操作的失误导致破坏。它可能就消失在容器里,或者是又转换回气体。也有科学家对此提出质疑,因为过去美国和德国都有研究者声称他们制成了“金属氢”,但实际上仍然停留在理论层面,那些结论都过于乐观。因此是否真正实现,还有待进一步的研究证实。但是无论如何,如果“金属氢”能够得到广泛应用,它很可能就是材料科学家们所寻找的理想超导材料,同时也是一种全新的高效能源。也正因如此,才有那么多的研究者要争夺这座“高压物理学的圣杯”。

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