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戎评|高压物理圣杯:中国高科技材料取得重大突破

在刘慈欣的科幻小说《中国2185》之中,有一种东西让戎评印象深刻,那就是金属氢。

在小说中,北京的金属氢制造厂在燃烧,汽车使用的高能燃料也是金属氢。

毫无疑问,在读到这里的时候,我们都会认为那是科幻小说,他们只会出现在科幻世界里,他们还与我们相隔太远,太远。但是他们却是让我们感受到了科技的魅力。

其实,科幻也是建立在事实之上的,科幻里的东西也许某一天就真的猝不及防出现在你的面前,那你看到的那一瞬间必然欣喜若狂。

也许,在我们的努力之下,不用等到2185年,大刘小说中的那个场景就会出现在我们面前。

12月2日,据科技日报报道,近日,中科院合肥物质科学研究院固体所极端环境量子物质中心团队在极端高温高压条件下成功获得了氢和氘的金属态,这是固体所量子中心研究团队继成功合成流体金属氮之后在轻质元素高压研究上取得的又一重要突破。

研究人员基于金刚石对顶砧装置并结合脉冲激光加热技术,在实验室中创造出了可模拟地核的极端温度压力条件,将气态的氢和氘成功转变成流体金属态;并利用超快宽带超连续光谱探测到了样品的光学吸收、反射特征,揭示了流体金属氢和氘的光、电等物理特性。

戎评|高压物理圣杯:中国高科技材料取得重大突破

研究结果明确了流体金属氢和氘的存在区域,并进一步说明这种金属态需要经历相当宽的高温高压半金属区域才能够获得。

戎评相信,大多数读者在看到这则新闻的时候不仅会浮现出这样一连串的问题:

什么是金属氢?

金属氢有什么用途?

高压物理圣杯:中国占领超高能含能材料研究国际制高点!

大年初一,国产科幻电影《流浪地球》上映,在《流浪地球》中,有这样一个情节,让观众印象深刻:

为了使地球脱离木星轨道,主角刘启一行人计划用苏拉威西转向发动机点燃木星,产生爆炸,从而推开地球。

戎评|高压物理圣杯:中国高科技材料取得重大突破

这个情节的设定是建立在一定的事实基础之上的,木星是一个气态行星,主要由氢气组成,当氢气与氧气结合,达到一定比例后解除火源就会发生爆炸,产生能量。

氢气,这是氢元素在地球自然界中的单质存在形式,那么,是怎么样让这些飘忽不定的气体变成金属的呢?

氢,是一种化学元素,从门捷列夫总结出第一张元素周期表开始,氢就是第一个元素,隶属于第一主族。

戎评|高压物理圣杯:中国高科技材料取得重大突破

对于第一主族的元素,在中学的化学课程中,老师一般都有详细的介绍,第一主族是碱金属,锂钠钾铷铯钫,这些都是金属中极其活泼的存在,自然界中几乎没有单质存在。

但是唯独氢显得格格不入,氢有稳定的单质存在,氢也表现出非金属的性质。

那么,为什么会将氢放在第一主族里呢?

对于这一点,其实,化学老师应该都讲过了,将氢列在第一主族是因为他们的最外层电子数都是1。

这就不得不说氢原子的构成了,氢原子包含一个正价的质子和一个负价的电子。在离子化合物中,氢原子可以得一个电子成为氢阴离子(以 H-表示) 构成氢化物,也可以失去一个电子成为氢阳离子(以 H+表示,简称氢离子)。

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由于每个氢原子只有一个电子,构成一个分子的两个氢原子平均共享那两个电子。没有剩下的电子。

同样,由于氢离子的特性,氢离子具有极强的还原性,具有碱金属的特性,氢列入第一主族实至名归。

科学家们也是一群不安分的人,既然氢原子具有碱金属的特性,也位列于第一主族,那么肯定有变成金属的潜力。

1935年,诺贝尔物理奖得主尤金.维格纳和物理学家希拉德.亨廷顿预测,在高压之下,氢会转变成一个氢原子分配一个电子,且电子可以自由移动的金属状态,类似碱金属。

60年代,通过高压,人们制备了“金属碘”,渐渐的,磷、硫等等单质也被高压征服,只有氢还依然停留在理论当中,不过理论与实践的距离被进一步拉大。

随着科技的进步,人类对太空的探索与研究逐渐升级,木星上的氢引起了科学家们的猜测,据他们预测,在木星地核处的强大压力和低温下,存在液态和固态的金属氢。木星的磁场也说明了这一点。

同样,随着科技的进步,理论物理学家们发现当时他们计算的压力结果太过离谱,所以一次次修正了临界压力,时至今日,研究认为金属氢相变的压力要达到500 GPa。

这里,就有两个问题,第一,高压之下,到底是如何形成金属氢的;第二,500 GPa的压力怎么达到。

第一个问题其实很简单,氢气在重压之下,分子间能带重叠,形成分子金属氢,然后分子键逐步断开,形成原子金属氢。

换种说法就是氢气内部是双原子分子,共价键链接。金属氢内部是金属键连接,一个个原子排排坐。

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举个例子,想象一个教室里有几十对基友,时而一对对挤在教室角落时而一对对满教室乱跑,这时候老师对他们拼命施加压力:“你们这样不行呀,考不上大学的呀”。压力越来越大,他们只好恋恋不舍的分开,回到自己座位上,排成一个整齐的形状,积蓄着巨大的怒火。

原理很简单,但是技术如何实现呢?

500 GPa是什么概念呢?可能很多人不理解。

GPa是压强的单位。换算一下,就是1 GPa=1000 MPa ,500 GPa也就是500000 MPa,而一个标准大气压强为0.1 MPa,也就是说,500 GPa=5000000个大气压。而地心的压力约为360 GPa。

早期,研究中所用到的高压设备主要分为动态压缩和静态压缩两种。

动态压缩的动力主要是炸药,高能炸药爆炸瞬间的爆压可以达到30~40 GPa,通过多次传导放大,可以达到百万大气压的量级。其次,还可以通过强磁场或者等熵压缩法,也可以达到同等级别的压力。但是冲击波持续的时间过短,大概在微秒量级, 很难进行进一步的观测。

静态压缩主要通过大型水压机或者其他压力设备达到,优缺点和上面的动态压缩是对应的,难以达到很高的压力,但是可以持续很久。

由于高压技术的限制,对于金属氢的探索也仅仅只限于理论上,直到有人发明了黑科技 ——金刚石对顶砧。

我们都知道,压强=压力/受力面积,当能施加的压力达到极限时,可以通过减小受力面积来获取更高压力。

由于金刚石的高硬度、高导热性和对于高能X射线、射线、低能紫外线、红外线、可见光的透明度,在加压的同时也能方便观察,甚至可以用激光加热至> 7000 K,所以没有比金刚石更能胜任这一工作的材料。

在金刚石对顶砧中,两个对顶金刚石压砧和带有样品的空腔组成高压容器,在高压下,氢分子键逐渐断裂,逐渐形成原子金属氢。

为了保证金刚石的力学性能,所以不得不用高净度和完美切工的金刚石来完成工作,如果压力过高,金刚石也会碎裂。

此外,过高的压力还可能使氢原子/分子渗透进金刚石中,改变其力学性能等性质,也会严重影响其极限压强。

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金刚石对顶砧是目前人类所能制造的最大压强的方法,并且用这一方法,“成功制取”了金属氢。

2017年1月26日,据路透社报道,哈佛大学科学家艾萨克•席尔维拉和朗加•迪亚斯在《科学》杂志上发布了获取金属氢的相关报告,宣布成功制取金属氢。此次试验,哈佛科学家利用金刚石对顶砧容器技术(DAC)在495GPa下获得了金属氢。

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席尔维拉在哈佛大学发布的新闻公告中说:“制备金属氢是高压物理学的圣杯,这是地球上首个金属氢样本。”

但是不幸的是,由于操作不当,一个月不到,地球上的首块金属氢消失了。

在研制成功后,他们尝试用低功率激光器测量压力时,听到了微弱的“咔嗒声”,表明其中一块金刚石已碎成微尘。艾萨克说,“我的心沉到谷底”,这一灾难性的失败使样本消失了。他们认为,金属氢可能消失在位于两个金刚石之间、被用来装金属氢的金属“衬垫”内;也可能因为不稳定,在常温常压下变成了气体。

从此以后,美国再也没有人称之制造出金属氢。

因此,对于美国是否造出了金属氢,业界内一直存在质疑之声,毕竟在成功两年多之后,他们再也没法制造出金属氢。

他们公布研制成功的时间点也很值得推敲,几乎就在同时,来自中国南京理工大学化工学院胡炳成教授团队成功合成了世界首个全氮阴离子盐。

戎评|高压物理圣杯:中国高科技材料取得重大突破

美国人到底是成功研制了金属氢,因操作不当消失了,还是没有研制出金属氢我们已经不得而知。

但是我们知道,这一次中国是真真正正的研制出了金属氢,而且是在高温高压的条件下研制出了金属氢。

中国占领了新一代超高能含能材料研究国际制高点。

看到这里,很多读者朋友会疑惑:戎评,你说了这么多,似乎还没说到重点啊,这个东西到底有什么用?为什么人们要费尽心力来研制金属氢呢?

在百度百科当中,对于金属氢有这样一则评价:一旦金属氢问世,就如同当年蒸汽机的诞生一样,将会引起整个科学技术领域一场划时代的革命。

显然,在科学界中,金属氢有着特殊的地位,而金属氢也对得起这样的评价。

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首先,金属氢具有高温超导性。超导体,就是指在某种温度下,电阻为零的导体。

没有电阻,会极大推动现有电子技术的进步,日常使用的电子技术,都是基于有电阻的电路,在电力的运输过程中,会造成极大的损耗。

据统计,用铜或铝导线输电,约有15%的电能损耗在输电线路上,光是在中国,每年的电力损失即达1000多亿度。

而使用超导体输电,那么这些损耗的电能就可以节省下来,节省的电能相当于新建10个大型发电厂。

当然,零电阻的特性远不止电力传输的应用,在所有的电子设备中,超导体具有无可比拟的作用。

超导体不仅仅具有具有零电阻的特性,另一个重要特征是完全抗磁性。

抗磁性的特性使得磁悬浮高速列车成为可能。利用超导材料的抗磁性,将超导材料放在一块永久磁体的上方,由于磁体的磁力线不能穿过超导体,磁体和超导体之间会产生排斥力,使超导体悬浮在磁体上方。

金属氢是一种亚稳态物质,可以用它来做成约束等离子体的“磁笼”,把炽热的电离气体“盛装”起来,这样,受控核聚变反应使原子核能转变成了电能,而这种电能将是廉价的又是干净的,在地球上就会方便地建造起一座座“模仿太阳的工厂”,人类将最终解决能源问题。

当然这一切的前提,都得在能大规模应用的前提下。

其次,金属氢可应用于军事上。

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理论计算表明,金属氢在常温高压下是稳定的,在常压下可能以亚稳态存在。但金属氢一旦变成氢气,其放能的量极为巨大。

据科学推算,金属氢在键能断裂时所释放的能量是HMX 的25倍,TNT的30-40倍,且远远大于任何化学能源的能量密度,而仅次于湮灭、核裂变、核聚变、核同质异能素。

最为重要的一点,由于氢的元素特性,以金属氢为原材料制成得炸药不会产生任何污染。因此,将金属氢作为新一代的“核武器”使用,就不用担心受到核污染所制约了。

因为释放的能量巨大,使得金属氢成为火箭推进剂的最佳选择,并彻底变革航空领域。

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衡量火箭燃料燃烧效率的单位是“比冲量,即推进剂从火箭后方喷射的速度,它的单位是秒。目前,最为强大的液态推进器的比冲为450秒,而金属氢的理论比冲竟达到了1700秒。

我们离星辰大海又更近了一步。

当然,这所有的一切前提都得是在金属氢能够批量生产,且能稳定保存的条件下进行。

从目前来看,想要大规模的应用还为时尚早,金属氢更多的还是处于理论研究阶段。

但是,已经研制出了产品,离应用还会远吗?就如同发动机已经能转动了,离汽车上路还会远吗?

文章最后,戎评有话说

一直以来,网络上都有这样一种言论:中国人喜欢研究历史,美国人喜欢研究科学,所以中国一直没有科学,中国人要向美国人学习!

一股浓浓的公知体弥漫而来。首先从历史的角度来说,美国只有两百多年的历史,要他们去研究什么?研究对印第安人的大屠杀?研究北美大陆的黑奴?亦或是研究他们如何侵占墨西哥的土地?

更何况,美国人也喜欢历史,他们之中不乏优秀的历史学家,而且其中很大一部分是研究中国历史的,如费正清、孔飞力等等。

古人有言:以铜为镜,可以正衣冠,以史为镜,可以知兴替,以人为镜,可以明得失。

悠久的历史,是中华民族的宝藏,从历史中,我们可以得到的东西太多太多。只有铭记历史,才能展望未来。

历史,可以说的上是我们的根。只有根基牢固了,大厦才会更坚固。

对于科学而言,我们确实需要学习美国,美国的科技是比我们先进,世界上先进的科学技术也几乎都是最先源自于美国。这是客观事实。

但是有一点戎评必须说明,搞科技,不是空中楼阁,而是修金字塔,是要一步一个脚印走向去的。我们的科学起步比别人晚,我们偷偷补课,用时间去赶上他们。

所以,过去我们走的是美国人走过的路。

戎评|高压物理圣杯:中国高科技材料取得重大突破

但是如今,我们落下的功课已经在逐渐补齐了,我们已经敢上来了,我们也正在走美国人没有走过的路。

正如2017年,中国研制出了全氮阴离子盐,美国研制出了金属氢。

如今,中国研制出了金属氢,美国的金属氢却消失了!

搞科学,中国人不比美国人差。

中国人要有自信,我们不仅会学历史,还会搞科技!

原创文章,作者:霂霖清看世界,如若转载,请注明出处:http://www.zgsmx.cn/1424.html

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