中华石油化工网 www.cnpec.net——歌颂石化 服务石化 奉献石化 发展石化

人類夢寐以求的金屬氫,還要再等90年?

   2021-09-16 文匯報

92

核心提示:金屬氫作為未來的一種高密度、高儲能材料,一直是人類夢寐以求的能量物質(zhì)。90多年來,人們一直在試圖制造出以金屬形態(tài)存在的氫氣

金屬氫作為未來的一種高密度、高儲能材料,一直是人類夢寐以求的能量物質(zhì)。90多年來,人們一直在試圖制造出以金屬形態(tài)存在的氫氣,并為此付出不懈努力,但穩(wěn)定的金屬氫樣品始終沒能得到。

從理論上來看,在超高壓下得到金屬氫是可能的。一旦夢想成真,將給世界科技帶來革命性變化。不過,要真正得到金屬氫樣品,還有待科學家們進一步研究。

最誘人性能 傳說具有室溫超導能力

早在1935年,英國物理學家就預言,在一定的高壓下,任何絕緣體都能變成導電的金屬,不同材料轉(zhuǎn)變成導電金屬所需的壓力不同。

金屬氫指的是液態(tài)或固態(tài)氫在超高壓下變成的導電體,由于導電是金屬的特性,故稱為“金屬氫”。成功產(chǎn)生金屬氫,不僅意味著人類找到了一種全新的高密度、高儲能材料,而且可能會使科學技術(shù)發(fā)生革命性變化。

這一發(fā)現(xiàn)的意義如此巨大,以至于世界上多個研究小組都曾宣稱自己成功獲得了金屬氫,但他們的競爭對手卻又對此表示高度懷疑。

這種普通元素的“金屬版”為何如此受重視?金屬氫研究的倡導者列舉了一些例子。比如,金屬氫轉(zhuǎn)化為氫分子時,會釋放出大量熱能,它可能成為一種突破性的火箭燃料。又如,據(jù)說像木星這樣的氣體巨星的核心就是由金屬氫這類物質(zhì)組成的,因此有行星科學家認為,如果我們能在實驗室里成功制造出金屬氫,也許就能更好地了解這些行星是如何形成的。不過,金屬氫最吸引人的性能是傳說中的室溫超導能力——它允許電流在不損失任何能量的情況下流動。

澳大利亞的海倫·梅納德·凱斯利說,基于所有這些原因,一項實驗如果成功產(chǎn)生了金屬氫,那將是轟動科學界的大事件,“我想金屬氫的研究者都希望能獲得諾貝爾獎”。

把氫壓成金屬 承受比地核更高壓力

盡管潛力誘人,但要制造出金屬氫,其過程艱難而曲折。

先說說氫的獨特特性。氫是宇宙中最豐富的元素,但同時也是宇宙中最簡單的元素。由一個單電子組成的氫,與鋰、鈉、鉀這類堿性金屬一同位于元素周期表的第一列,鋰、鈉、鉀這三種元素都以固體形式存在于地球上,且能夠?qū)щ姟6鴼渫ǔR詺怏w形式存在,要想把它變成一種金屬,必須讓每個氫原子核都緊密地結(jié)合在一起,使它們的電子變得“不受位置限制”,也就是說,讓它們可以在原子周圍自由移動,從而產(chǎn)生導電能力。

最早認識到這種轉(zhuǎn)變可能性的是物理學家尤金·維格納和希爾拉德·貝爾·亨廷頓,他們早在1935年就作出預測,要讓氫像它在元素周期表中的鄰居表現(xiàn)得一樣,關鍵是壓力——超大的壓力。

在極大的壓力下,氫分子間的距離將變得很近很近,迫使本來圍繞原子核運動的電子變成穿梭在整個高壓態(tài)氫塊中的自由電子。這樣的氫塊將表現(xiàn)出金屬的性質(zhì)——固態(tài)、堅硬、有顏色和具有導電性,這種氫結(jié)構(gòu)被稱為“金屬氫”。

要做到這一點,需要近400千兆帕斯卡(GPa)的壓力,即大氣壓的400萬倍,相當于一枚小小針頭上要承受一架大型噴氣式飛機的重量。至少在實驗室里實現(xiàn)這樣大的壓力是很有挑戰(zhàn)性的。“事實上,施加超過100GPa的壓力,就很少人能夠做到。”凱斯利說。

科學家正在為制造金屬氫需要的超大壓力付出不懈努力。最早接近這個壓力的時間是1998年。一個由美國紐約康奈爾大學和馬里蘭大學的工程師組成的團隊,在被稱為“金剛石鐵砧”的材料上為氫樣品施壓。

“金剛石鐵砧”實際上是一對超銳利的金剛石,它的尖端十分細小,大約只有頭發(fā)絲直徑的四分之一。雖然很小,但研究人員可在這些尖端之間捕獲一些氫分子。接下來,他們設法將兩個金剛石鐵砧推擠到一起,擠壓它們中間的這些氫分子。最終,在弄壞了15對金剛石鐵砧后,研究人員終于設法將尖頭之間的壓力調(diào)至342GPa——這個數(shù)值已接近地核內(nèi)部。從理論上來說,這個壓力應該足以讓氫金屬化,但氫分子仍然無動于衷。

四年后,法國原子能委員會(CEA)的保羅·勞拜爾領導的研究小組認為,這樣的結(jié)果本在意料之中。估算氫產(chǎn)生金屬性的壓力值,是根據(jù)氫原子中可利用電子的兩種截然不同能態(tài)之間的“間隙”來進行測量的——壓力增加,間隙會縮小,從而改變電子吸收光或發(fā)射光的方式。在間隙即將閉合、材料變成金屬之前,氫的電子會吸收光,但不發(fā)射光,這就導致材料變得越來越不透明。然而,一旦間隙完全閉合,電子能夠以自由運動的導電體的形式存在時,它們將重新發(fā)射吸收的光能,使材料具有高度的反射性。

根據(jù)觀察推斷,勞拜爾和同事們認為,讓氫轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)需要大約450GPa的壓力。

金屬氫樣品 爭議中誕生又“不小心”丟失

又過了13年時間,產(chǎn)生金屬氫的目標終于達到了。事實上,最終壓力已達495GPa,研究人員也目睹了氫獲得金屬性的過程。至少,美國哈佛大學兩位研究人員迪亞斯和伊薩克·西維拉,于2017年在《科學》雜志上發(fā)表的一篇同行評議論文中是如此宣稱的。在美國哈佛大學發(fā)布的一份新聞稿中,西維拉將這項成果稱為“高壓物理學的圣杯”。

但勞拜爾并不認可這樣的說法。他在接受《自然》雜志采訪時表示,“這篇論文根本沒有說服力”。這是因為論文所謂獲得的金屬性,只是基于對氫的反射率的測量結(jié)果:在495GPa時,它變得發(fā)亮了。但還可能存在其他原因,比如金剛石尖端上氧化鋁涂層在巨大的壓力下,也有可能會改變氫的反射性。

而且,壓力讀數(shù)是根據(jù)金剛石在高壓下的振動方式推斷出來的,而非直接測量得到的,因此聲稱所獲得的壓力未能說服其他研究人員,勞拜爾認為壓力可能不超過350GPa。

位于德國美因茨的馬普化學研究所的米哈伊爾·埃雷梅茨也在嘗試制造金屬氫。他和同事亞歷山大·德羅茲多夫表示,哈佛研究者所發(fā)表的數(shù)據(jù)中還找不到令人信服的金屬氫證據(jù),“除了引用來自鉆石表面涂層反射率變化來表明可能性外,壓力測量也模糊不清,并不明確”。

顯然,現(xiàn)在需要做的是:重復實驗。但說起來容易做起來難,因為這種實驗是自毀式的。

迪亞斯和西維拉一直對氫樣品的脆弱性很擔心,這也是為什么他們限制測量數(shù)量和范圍的原因。更重要的是,在公布了他們具有里程碑意義的成果,準備進一步研究時,他們發(fā)現(xiàn)樣品消失不見了。

時隔兩年之后,他們?nèi)匀徊恢浪l(fā)生了什么,金屬氫的碎片——如果真的已轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘贇涞脑?mdash;—只有10微米厚,可能是從兩個金剛石砧的夾持下滑出,滑到儀器底部丟失了,或者也有可能是蒸發(fā)了。但他們?nèi)匀粓苑Q“非常有信心,我們觀察到了金屬氫的存在”。

爭論中前行 金屬氫發(fā)現(xiàn)之門終將被打開

科學家之間的這場爭論也為最終發(fā)現(xiàn)金屬氫打開了大門。

2019年6月,勞拜爾在一篇題為“接近425GPa時向金屬氫轉(zhuǎn)變的一級相變觀測結(jié)果”的論文中提出了他們的看法。這篇論文是他和在CEA的同事弗洛朗·奧塞利,以及法國同步加速器SOLEIL研究機構(gòu)的保羅·杜瑪斯共同撰寫的。

“我們展示了在接近425GPa的壓力條件下,一個從絕緣體分子固態(tài)氫到金屬氫的相變。”他們認為,之所以能夠達到這個壓力,是因為奧塞利幫助開發(fā)了一種新的金剛石鐵砧。

埃雷梅茨認為,這些觀察結(jié)果很有趣,但遠不是結(jié)論性的。迪亞斯指出,為了證明金屬態(tài)的存在,這兩件事中至少有一件要得到證明:一是證明當溫度接近絕對零度時,電導率仍是限定的;二是證明材料的反射率隨著波長的增加而增加——但他認為這兩點都還沒有顯示出來。

迪亞斯還指出,許多觀察結(jié)果,實際上其他研究團隊以前已經(jīng)看到過了。埃雷梅茨也說,這些“新”的結(jié)果中有很多都是以前報道過的,其中一些就是由他的研究團隊報告的。

對于梅納德·凱斯利這樣的外部觀察家來說,獲得確切答案的唯一途徑,就是等待他們的論文發(fā)表在同行評議的期刊上。“作為一名科學家,我不得不尊重同行評議的意見。”她說。

我們?nèi)绾慰创@些實驗和爭議呢?我們是否還要為未來的終極能源再等上90年?也許不會。迪亞斯和西維拉聲稱,他們重復了之前的實驗,并觀察到了同樣的結(jié)果。“大約一年前,我們在高壓下復制了一個樣本,但由于技術(shù)原因,我們無法測量壓力,所以我們沒有發(fā)表。”西維拉說。

迪亞斯后來調(diào)到了美國羅切斯特大學,“我正在建造一個新的實驗室,一個具備制造金屬氫能力的實驗室。我相信我們能夠復制這項研究”。

科學家們不會被動等待,越來越多的人在為此而努力,雖然有可能同時會有三四個人在重復對方的工作,而且每個人都會聲稱自己是第一個。美國拉斯維加斯內(nèi)華達大學研究高壓系統(tǒng)的阿什坎·薩拉馬特說:“開發(fā)金屬氫是我們的共同目標。盡管我們不知道它會是液態(tài)還是固態(tài),或者是室溫超導體,我們現(xiàn)在需要做的就是共同努力來回答這些問題。” (方陵生/編譯)



免責聲明:本網(wǎng)轉(zhuǎn)載自其它媒體的文章及圖片,目的在于弘揚石化精神,傳遞更多石化信息,宣傳國家石化產(chǎn)業(yè)政策,展示國家石化產(chǎn)業(yè)形象,參與國際石化產(chǎn)業(yè)輿論競爭,提高國際石化產(chǎn)業(yè)話語權(quán),并不代表本網(wǎng)贊同其觀點和對其真實性負責,在此我們謹向原作者和原媒體致以崇高敬意。如果您認為本站文章及圖片侵犯了您的版權(quán),請與我們聯(lián)系,我們將第一時間刪除。
 
 
更多>同類資訊
  • china
  • 沒有留下簽名~~
推薦圖文
推薦資訊
點擊排行
網(wǎng)站首頁  |  關于我們  |  聯(lián)系方式  |  使用說明  |  隱私政策  |  免責聲明  |  網(wǎng)站地圖  |   |  工信部粵ICP備05102027號

粵公網(wǎng)安備 44040202001354號

 
主站蜘蛛池模板: 湖南长沙智能实验室规划设计、整体建设、净化装修、改造施工公司-福临建设 | 泊头市特种油泵阀制造有限公司 - 渣油泵,重油泵,沥青泵,高压齿轮泵,煤焦油泵,导热油泵,三螺杆泵,圆弧齿轮泵,不锈钢齿轮泵, | 塑料振动筛-防腐蚀振动筛-聚丙烯振动筛-塑料振动筛厂家河南迈能机械设备有限公司 | 郑州阳光房|封阳台|钢结构【河南郑州如意阳光房门窗有限公司】 | 永光机械-小型建筑机械领航者,公司专注于小型建筑、工程机械的研发与制造 | 襄阳亚舟重型工程机械有限公司 | 远红外桑拿房-江苏侨达健康科技有限公司 | 暖气片,暖气片厂家,散热器,暖气片品牌-青岛瑞雪兆散热器有限公司 | 振动给料机_电磁振动给料机_振动给料机厂家-新乡市大汉振动机械有限公司 | 湖南净声源环保科技有限公司是一家专业从事噪声治理和建筑声学设计生态环境综合治理服务的企业,专业从事株洲电梯隔音治理,湘潭中央空调降噪处理,衡阳邵阳冷却塔噪音治理,岳阳常德大型风机噪声隔音降噪,张家界空压机噪声治理,益阳配电房变压器噪声治理,专业郴州永州工厂企业车间噪声治理,怀化娄底专业机械设备减振降治理,武汉噪音治理隔音降噪公司,孝感噪音治理,立式球磨机的噪声控制,专业隔音降噪公司,、以及各类机械动力设备减振降噪噪声治理的公司,同时为客户提供咨询与解决方案 | 轴流风机_混流风机_排烟防火阀-德州辰特空调设备有限公司 | 守护者官网-儿童安全卫士 | 同步分流马达_液压泵维修_派克多路阀-济南富诚液压设备有限公司 通用变频器|国产变频器|深圳变频器厂家-深圳市英捷思技术有限公司 | 皮带输送机(输送机械)-带式输送机-皮带输送机生产厂家-河南坤威机械 | 文件管理系统-文件管理软件-文档管理系统-文档管理软件-档案管理系统-档案管理软件 - 致得软件 | 温湿度变送器_pm2.5传感器_湿敏电阻_二氧化碳传感器_甲醛传感器-美特瑞科技 | 医疗器械,理化实验室设备,微生物,培养基,一站式采购 - 杭州润泽仪器商城 | 卫生级自吸泵-不锈钢化工离心泵-上海胜欧泵阀有限公司 | 吸污车|吸粪车|冷藏车|消防车|清障车|环卫垃圾车价格|湖北程力汽车集团厂家销售公司 | 全自动码垛机械手,码垛机器人,拆包机,缠绕机,开箱封箱装箱机厂家-山东昊宇自动化设备有限公司 | 上海物业管理_写字楼物业管理_厂房物业管理_上海企福物业管理有限公司 | 机器人码垛机-纸箱套袋机-水平缠绕机-贴标机-开箱机-装盒机-杭州贝立智能设备有限公司 | 数字多媒体展厅设计,智慧科技互动企业展馆展厅设计公司-深圳炫之风 | 紫外交联仪,紫外透射仪,紫外灯-上海析浦科学仪器有限公司 | 耀美软瓷施工队-13638350103-专注于软瓷施工勾缝的贴软瓷施工队 - 软瓷,软瓷施工,软瓷勾缝,软瓷怎么施工,软瓷怎么勾缝,贴软瓷,软瓷施工队 | 碳化硅微粉_超细碳化硅微粉_潍坊凯华碳化硅微粉有限公司 | 芜湖藦卡机器人科技有限公司 | 水处理设备厂家_纯净水设备_超纯水设备价格找西安瑞泉水处理 | 辽宁正业集团云顶钢结构有限公司_葫芦岛云顶钢结构_葫芦岛轻钢彩板_葫芦岛钢结构工程 | 树脂门|卫浴门|医院门|医院专用门|卫生间门—湖南航天康达树脂门 | 宁波雷豹机电科技有限公司|雷豹冷风机|雷豹工业大风扇|MFC18000|MFC16000|MFC6000|EF3622|EF4222|EF4822|移动工业蒸发式冷风机空气冷却器|大型工业空调扇|雷豹移动式工业大风扇|雷豹大风扇|生产厂家|公司官网 | 小地磅,钢瓶秤,叉车称,轮椅秤,倒桶秤,畜牧秤,轴重仪,称重模块——上海实干实业有限公司-网站首页 | 气体灭火安装,气体灭火系统安装,七氟丙烷灭火系统安装,消防气体灭火控制系统 | 陕西筱润智能科技有限公司 干部人事智能档案柜 智能密集架 智能档案柜 部队选层文件智能柜 智能枪弹柜 财务智能档案柜 边防武警智能密集架 医院智能档案柜 部队选层文件智能柜智能枪弹柜 学校医院文件柜 企事业单位公检法智能文件柜 生产厂家-筱润智能科技有限公司 RFID射频智能密集架 全自动智能选层档案柜 智能密保柜 枪柜部队营房营具床桌椅办公家具 办公用品档案盒设备货架 全自动智能选层柜生产厂家-筱润智能科技有限公司 | 徐州电动垃圾车|三轮快速保洁车|电动高压冲洗车|江苏大卫王环保科技有限公司 | 湖北江南专用特种汽车有限公司官方网站 | 专题秀_汇聚网络热门专题_实时报道各类新闻专题资讯 | 津成电线电缆价格,天津津成线缆,津成线缆销售电话,天津津成线缆批发电话-天津市津成电线电缆有限公司 | 性激素6项实验检测,放射免疫实验检测,明胶酶谱试剂盒,科研用人血清,质控标品,试剂盒-南京信帆生物技术有限公司 | 西安宣传片拍摄,陕西艺景网络科技有限公司资料备份,西安影视公司,视频拍摄制作,抖音视频制作,纪录片拍摄西安短视频摄影团队,西安抖音视频拍摄 | 净化塔_喷淋塔_脱硫塔_河北宝飞华创玻璃钢制造有限公司-河北宝飞华创玻璃钢制造有限公司 |