氫在地球上不是一種金屬，但科學家們一直試圖在高壓下制造金屬氫，以解鎖一種新的超導體。
什麼東西又發光又導電？
答案通常是金屬。
而氫氣，是一種無色無味的氣體。至少乍一看，它不是一種具有金屬性質的元素。然而，自19世紀後期以來，實體學家提出在一定條件下可以産生金屬氫的理論。
這些理論獲得了支援，部分原因是在整個太陽系中都發現了金屬氫。例如，木星的内部被認為是金屬氫——巨型氣态行星内部的高壓将氫擠壓成超導金屬，進而産生了行星的強磁場。但在地球上，實驗上的困難使得金屬氫在近一個世紀裡都難以捉摸。
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1935年，固态實體學的領軍人物、實體學家尤金·維格納(Eugene Wigner)和希拉德·貝爾·亨廷頓(Hillard Bell Huntington)在《化學實體雜志》上發表了一篇論文，提出氫在高壓下可能是金屬。他們假設這将發生在25千兆帕斯卡(GPa)——海平面大氣壓力的25萬倍。
實體學家尤金·維格納(Eugene Wigner)
愛丁堡大學研究極端條件的實體學教授尤金·格雷戈裡揚茨告訴《LiveScience》雜志：“在現實中，這個壓力可能要高得多。”
他說，維格納和亨廷頓的預測是實作氫金屬态所需高壓的下限。
多年來，幾個研究小組聲稱已經創造了金屬氫，但他們的結果隻能通過糟糕的測量來解釋。2017年哈佛大學發表在《科學》雜志上的一項研究聲稱，他們以495GPa的壓力制造了金屬氫，但由于人們擔心他們如何校準壓力測量、他們将觀察結果與之比較的模型、以及缺乏可重複性，這一研究引發了懷疑和争論。格雷戈裡揚茨說：“唯一的測量資料是用iPhone拍攝的四張照片。”
2019年發表在《自然實體學》雜志上的一項研究報告稱，制造半金屬氫的壓力為350GPa。
德國馬克斯·普朗克化學研究所高壓實體、化學和材料科學實驗科學家米哈伊爾·埃雷米茨告訴《LiveScience》雜志：“我們把它擠得很大，體積幾乎是原來的20倍。”
這些高壓實驗隻有在金剛石壓腔（diamond anvil cell）發明後才成為可能。
金剛石壓腔（diamond anvil cell）結構示意圖
通過這種技術，緻密的氫氣或液态氫被裝入一個小罐中，并被擠在兩顆鑽石(已知最硬的物質)之間。雖然氫隻有一個電子，但當兩個氫原子被兩個不成對的電子結合在一起，形成共價鍵時，它自然形成氫分子。當氫分子被壓縮時，兩個原子之間的力就像彈簧一樣開始振動。随着這些振動的頻率上升，意味着原子之間的距離越來越近。
在這一點上，原子之間的距離非常小，氫分子将轉變成固體氫。1979年，在5.5GPa的壓力和略高于室溫的條件下，固态氫得到了實作。
但是，如果科學家們加大壓力，一旦壓力超過33GPa，就會發生奇怪的事情：振動頻率開始降低，這意味着原子正在遠離彼此。
閃閃發光的金屬（鋁）
1980年發表在《實體評論快報》上的一項研究觀察到了這種效應。研究人員計算出，如果壓力繼續增加，氫原子之間的鍵最終會斷裂，産生具有單價或最外層電子的純堿金屬。堿金屬結合成固體，共用它們的價電子來導電。另一方面，氫原子自然形成氫分子(H2)，這是化學中最強的鍵之一，格雷戈裡揚茨在一封電子郵件中告訴Live Science。隻有高壓(比如超過33GPa)或低溫才能打破這種鍵，生成堿金屬。堿金屬，如锂和鈉，位于元素周期表的第一族，就在氫的正下方。它們會與水反應形成強堿。
40多年過去了，這項工作進展緩慢。“實驗真的非常困難，”埃雷米茨說，因為鑽石有時會破裂，無法達到最高壓力，或者無法對隻有幾微米的微小樣本進行測量。
格雷戈裡揚茨說，即使如此，固态金屬氫可能也不遠了。他的研究小組和其他研究人員已經觀察到氫樣本變暗，這表明“帶隙”正在縮小。帶隙是導電帶和價帶之間的空間。
在金屬中，導電帶和價帶之間的空間重疊并産生導電性。
格雷戈裡揚茨說：“我認為這種金屬狀态的特性比金屬本身更有趣。”有一種觀點預測氫在金屬形态下是液态的，可能是超導體。
新的超導體很重要，因為目前的選擇很有限，它們通常隻能在極低的溫度下工作，埃雷米茨說。超導體對計算機晶片和核磁共振成像儀等現代技術至關重要。
但格雷戈裡揚茨認為氫超導體短期内不會在工業上得到應用，因為獲得純金屬氫超出了目前的技術能力。
相反，包括格雷戈裡揚茨在内的許多科學家都把精力集中在氫化物上，氫化物是由金屬和氫組成的。這些樣品仍然很小，但氫化物實際上可以形成超導體，能夠在比純氫低得多的壓力下工作。然而，格雷戈裡揚茨說，這些壓力仍然太高，無法在工業上使用。“但作為一種實體現象，這絕對是令人着迷的，”他說。
文章來源：新能源技術與裝備
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