漲知識：氫不再只是氣體，把氫變成金屬好不好玩？

如果氫是一種穩定的金屬，就可以用金屬氫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而又乾淨的，我們就能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。用金屬氫輸電，可以取代大型的變電站而輸電效率超過99%，從而使全世界的發電量增加四分之一以上。如果用金屬氫製造發電機，其重量不到普通發電機重量的10%，而輸出功率可以提高几十倍乃至上百倍。

可惜氫作為氣體是穩都態的，變成一種穩定存在的金屬就太難了。

2017年1月，哈佛大學物理學家Isaac Silvera團隊宣布，他們製造出了地球上最稀有、最珍貴的材料——金屬氫，成功將高壓物理這一領域帶入了人們的視野。

為什麼我們如此費盡心血地來研製金屬氫呢？因為一旦金屬氫問世，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。

什麼是金屬氫？明明是可以讓氣球飄起來的氣體怎麼就變成金屬了呢？

氫，作為元素周期表的第一個元素，隸屬於第一主族，第一主族都是鹼金屬元素，唯獨氫顯得格格不入。那什麼是金屬呢？當金屬表面光滑時，它們反射光的效率很高(反射率高)，因此它們具有「金屬光澤」；但非金屬卻沒有很高的反射能力，因而具有「無光澤的顏色」。這也是之後判斷氫是否金屬化的標誌。

在大多數普通化合物中，原子由於共同享有電子而緊密地保持在一起。當電子都被緊緊地束縛在某一個原子上時，物質就表現出非金屬性質。根據這種準則，氫是一種非金屬。普通的氫分子是由兩個氫原子構成的。每個氫原子只有一個電子，構成一個分子的兩個氫原子共享那兩個電子，也就是沒有多餘的自由電子。

科學家們對氫施加極大的外力，破壞原有的分子結構，改造成金屬的結構。假定有足夠的壓力把氫原子非常緊密地擠在一起，以致各個原子都被8個、10個甚至12個近鄰原子所包圍。於是，每個氫原子的單個電子，不管原子核有異常強的吸引力，就可能開始從一個相鄰原子滑到另一個相鄰原子。這樣你就會得到「金屬氫」。

要實現以上的假設氫原子必須處在巨大的壓力(500Gpa，大約5000000個大氣壓)下，在太陽系中最接近於滿足這個條件的地方是在木星的中心，因此有些人認為，木星的內部也許是由金屬氫所構成的。在地球上如何實現這麼大的壓力大呢？科學家發明了一種金剛石壓砧(Diamond Anvil Cell，簡稱DAC)的方法。當能施加的壓力達到極限時，通過減小受力面積可以獲取更高壓力。

哈佛的學者們就是運用這一方法，在-268攝氏度下將極少量液態氫放在金剛石的砧面(就是鑽石的尖端，直徑50微米)，將兩個鑽石合攏，施加外力，從而達到極高的壓力。在壓強不斷升高的同時，用紅外光測量氫的反射率，以判斷它是否金屬化。當壓力達到495Gpa時,他們驚喜的發現原本黑色的固態氫逐漸變得有金屬光澤，反射率也達到了0.91，其他的參數如等離子體頻率，電子密度也都符合金屬的特性。就這樣第一塊金屬氫就製備成功了。

2017年2月22日，也就是論文在Science上發表的一個月後，當Isaac團隊嘗試用低功率激光器測量壓力時，聽到了輕微的「咔嗒聲」，表明其中一塊金剛石已碎成塵埃。鑽石恆久遠，一顆永流傳」的神話在495Gpa的極高壓力下，也是顯得弱不經風。Isaac說「我的心沉到了低谷」，這一災難性的失敗使樣本消失了。

另據路透社1月26日報道稱，金屬氫的爆炸威力相當於相同質量TNT炸藥的25～35倍，是目前威力最強大的化學爆炸物，此技術有望使美國研製成第四代核武器。

金屬氫武器必須首先將氣體氫轉化為固體金屬氫，這個技術十分複雜且要求極高，需要在每平方英寸（約合6.45平方厘米）施加超過7170萬磅（約合3252萬公斤）的壓力才能製備，而這個壓力甚至比地球核心處的壓力更大。這項由哈佛大學科學家開發的技術，是地球上有史以來的第一個金屬氫樣本。這種金屬氫不但可以作為超導新材料，也能用於火箭或導彈超高能推進劑，更可以使研發第四代核武器中氫金屬武器成為可能，也使美國再次成為走在核武器技術前沿的領頭者。有了這種新武器，美國在對付強大敵人時，因為可以隨意使用體積小而又無污染的超級武器，而使其可以隨時掌控戰爭的進程而顯得戰爭的隨意性更大了。

大家不用擔心，作為美國假想敵的中國已有應對之物。中國科學家合成的全氮陰離子鹽也是一種尖端技術。這種全氮陰離子鹽類物質的能量水平可達10^4～10^5焦耳/克級別，這相當於TNT炸藥的10～100倍，不僅可用於製造更大威力的炸藥、火炮發射葯、火箭和導彈推進劑，也有望用於製造不需核裂變起爆的「乾淨」氫彈。也就是說，如果中國將這項技術應用到第四代核武器的開發，從而也會領先其他國家研發出可以隨意使用體積很小而又無污染的超級武器，從而與美國並駕齊驅成為率先在第四代核武器研究方面取得顯著進展的國家。

參考文獻

R. P. Dias et al.,Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen, Science 10.1126/science.aal1579 (2017).

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