百年理论终于完成向现实的华丽转身,金属氢

固态金属氢是什么？

金属氢最初是由理论物理学家Eugene Wigner和Hillard Bell Huntington于1935年提出的。金属氢是氢的一个高压相，当氢元素在高压下形成固体时，它的行为表现为一个良导体，因此叫做金属氢。金属氢之所以很火，就是因为物理学家理论预言说它可能是室温超导体。1968年，Neil Ashcroft首次预言金属氢的超导转变温度可能达到290K，即17摄氏度，远远高于目前已知的任何超导材料。

有一点知识背景的人应该知道，如果能实现常压下的室温超导，那对于人类来说将是一个伟大的变革，将极大地推动人类文明的进程。2016年10月，有人声称在实验室中压力为495千兆帕（495万个大气压）的极端条件下观察到了金属氢。2017年1月，哈佛大学的研究组发表了他们的研究成果，首次在实验室中利用金刚石对顶的方式产生高压，制造出了金属氢。

但遗憾的是，由于操作不当，还未来得及研究它的电学性质，金属氢的状态就被破坏了。图1. 像木星（上图）和土星这样的天然气巨头可能含有大量的金属氢（用灰色表示）和金属氦目前已知的“超”物质状态有超导体、超流体和超固体。物理学家Egor Babaev预言，如果氢和氘具有液态金属态，那么它们有可能是量子有序态，在通常意义上不能被归为超导或超流体，而有可能是两种新的量子流体：超导超流体和金属超流体。

Egor Babaev预言这些流体将对外部磁场和旋转产生某种不平凡的效应，这为实验上证实他的预言提供了手段。还有人提出，在磁场的影响下，金属氢可能会表现出从超导到潮流的转变或者相反。关于金属氢的性质有大量的工作可以做。但是最大的难点就是如何在人类能达到的高压条件下制备出金属氢，如果能实验成功稳定可重复的制备，那无疑也是一个巨大的突破。

“金属氢”终于被制造出来了吗？

2017年初，哈佛大学研究人员在《科学》上发文称，在高压低温下发现了金属氢，一时轰动科学界。如果这属事实，那么他们毫无疑问将获得诺贝尔奖。金属氢是一种传说中的物质。元素有金属与非金属的差别，金属一般具有导电性，却具有金属光泽，基本在常温下为固体（只有汞为液体）；非金属，则一般为绝缘体，只有极少数属于导体（如碳）和半导体（硅）。

但按照粒子的构成，元素之间是能够在压力之下进行转换的，也就是说，金属可以变非金属，非金属也可以变成金属。如在大约20年前，分子氧已经被证明在大约100万倍大气压下变成了一种金属。那接下来的问题就来了，氢，这种非金属，能变成金属吗？80年前，科学家们就做出了这样的结论，但直到今天，我们还没有亲眼见到过金属氢。

按照科学家们的论断，在太阳等恒星，以及行星内核，都有金属氢的存在。理论应该是正确的，那么怎么才能把氢变成金属氢呢？首先是极高的压力，大约相当于488万个大气压，然后还需要-200°上的低温，才能得到金属氢。哈佛大学正是在这一温度下宣布制成了金属氢的。样品镜下图（205Gpa还是透明的液态氢，415Gpa不透明固态氢，495Gpa变成金属）这是一个很神奇的过程，氢原子在高压之下排列越来越紧密，越来越紧密，最终它们肩并肩地占到了一起，最终也从透明变成了不透明。

金属氢如果一旦能够制备，那人类的材料史将会向前迈进超级一大步。金属氢是一种类似金刚石（钻石），具有亚稳态的特性，即一旦形成，就不会再变回气体氢。而金属氢因为没有电阻，所以人类可以用它来实现梦寐以求的0损耗输电。同时，以为金属氢里含有超级大的能量（形成过程耗费极大能量），所以它将是人类能源史的一次革命。

看科普节目，木星内部有大量液态金属氢，氢可以是金属吗？为什么？

氢当然可以金属形态存在，只不过让我们印象中的气态氢变成金属氢，所需要的环境不一样罢了。这有点类似水在不同的温度和压力下也有固、液、气常见的三种形态。对于金属的定义，一般是以我们的感官来判断的，比如说要具有光泽，有延展性，具有良好的导电性导热性等这些物理性质。但这样来区分金属与非金属有些不太精确，在一定的环境温度和压力时，一些金属也会变成绝缘体，一些绝缘体也变成导体。

比如钢铁在极低的温度下，光泽就消失了，变的非常脆，也失去了导电性。所以，对于金属还是从微观的角度去看，一般来说，某一元素（单质）的原子间是通过金属键链接的就可以看做是金属，因为原子间只要有足够的能量（电离能），原子就能失去电子，特别是最外层的电子，形成自由电子。你可以想象成所有的金属阳离子是浸泡在一片电子海洋中，而我们看到的很多金属性质，都是和这些电子和金属键有关的，比如，金属具有金属光泽是因为那些自由电子在吸收了可见光后，自己“留下”一部分能量，再把大都不同波长的光子发射回来，这就是金属光泽。

而金属的延展性是金属键并没有把金属原子固定住，原子之间可以进行相对滑动而不会破坏整个金属结构。其实，在天体物理学家眼中，所有元素都可以看做为金属，包括氢，因为如果给氢原子施加足够大的压力，氢原子上的那个电子就能克服其原子核的吸引力而跑到相邻的原子上了，这就让电子有了“流动性”，氢也就具有了导电性——于是科学家称之为金属氢。

氢是宇宙中最丰富的元素，金属氢也不算稀有，但在地球上没有产生金属氢的条件，所以，直到1935年，科学家才预测到氢可以有着金属的性质。但是，由于当时的实验设备不够先进，所以尽管做了许多试验，仍然无法制造出金属氢。直到2016年10月，两个哈佛大学的物理学家宣称制造出了金属氢，但遭到了一些科学家的质疑，其中也有咱们的中科院，合肥研究所按其方法重复了实验，结果是没有得到金属氢。

说句题外话，实验的可重复性是检验科学研究成果的一项重要指标。下图是哈佛团队发布的金属氢照片：在2017年2月，哈佛大学这个金属氢团队宣布，“由于团队操作失误，制造出的那个金属氢样本消失了。”好吧，人家是不是真的造出来咱先不去管了，在2019年12月，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所极端环境量子物质中心团队宣布，在极端高温高压条件下成功获得了金属态氢和氘。

此成果已发表在国际重要学术期刊《先进科学》。金属氢为什么这么吸引人，因为优点很多，金属氢是一种高密度高储能的材料，而且是一种常温超导体，如果能够工业化制备，将在电子，材料，能源等领域掀起革命性的变话。只不过现在距离这个目标还有很长距离要走，也许可控核聚变离我们更近一些。金属氢虽然在地球上很难弄出来，但在宇宙中，特别是一些气体行星系统中还是普遍存在的，因为在那些巨大的气态行星内部有着足够高的压力与温度，特别是木星，作为太阳系行星的“老大”，如果你能进入到木星内部13000英里的深处，这里的压力达到了200万个大气压，温度超过6000K，这时这你就会发现周围的氢分子在高温高压下被迫靠近在一起，原子间的电子断裂，形成液态的金属氢。