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氫氣知識

逆天的氫金屬

發布時間:2017-09-04 瀏覽次數:次 字號:  【關閉】
     氫是現代科學的皇冠。眾多著名科學家都投身這一偉大元素的研究,氫光譜線是量子力學的引航燈,氫原子奠定了量子原子模型、核磁共振和氫同位素燈的研究,是帶領現代物理向縱深發展。
  在氫研究的這個皇冠上,有一顆靚麗明珠,就是關于氫金屬的研究。
  理論上氫是一種金屬,只不過這種金屬在一般條件下無法存在。科學家利用鉆石對頂砧制造出極端高壓狀態,從而生成“第五狀態氫”,即固體氫金屬狀態。這是一種新的物質形態,這種狀態的氫通常存在于大型行星或太陽內核,氫分子分離成單原子,電子像金屬電子一樣。
  2017年除夕夜,中國人都忙著過春節,哈佛大學學者在《科學》發表了他們關于氫金屬的研究論文,成為2017年春節期間科學領域最熱門話題。
  Dias, R. P. & Silvera, I. F.Sciencehttp://dx.doi.org/10.1126/science.aal1579 (2017).
  這是一個八十年前的理論,一直沒用確定證據。1935年,科學家首次在理論上提出氫的這種狀態。最近40年來,科學家們一直努力嘗試造出這種氫金屬。其中一個基本的技術就是如何制造出極端高壓狀態,科學家利用鉆石對頂砧把氫壓縮到前所未有的高壓狀態,進一步證實這種罕見“金屬態氫”存在,而且發現這種狀態比較穩定。
  太陽和太陽系大型行星如木星和土星內核,主要由高壓氫元素構成。本次美國學者實現的495萬個大氣壓,就是模擬這種環境,這次實驗證明了氫的這種不尋常狀態。
  關鍵研究證據:
  Microscope photos show hydrogen transitioning from a transparent gas (left), through a black molecular state (middle), to a shiny metallic form (right),
  金屬氫的驗證和分析是現代科學的圣杯之一。這是一種神奇材料,可用于開發超快速計算機和不需要充電的氫能汽車等尖端技術。但也被認為這種材料不可能制造成功,因為理論上制造這種材料需要的壓力在地球中心都無法達到。但是不可思議的是,兩個哈佛大學的科學家終于實現了這一目標。更重要的是,本次研究發現這種氫金屬狀態是亞穩態,意味著可降低壓力或增加溫度的情況下繼續保持金屬狀態,也就是說有可能獲得常溫常壓下的氫金屬或氫鉆石。這可是不可思議的不可思議。
  研究對接近絕對零度(攝氏零下273度)的液體氫,用兩個鉆石產生數前個大氣壓進行加壓,就這樣制造出金屬氫。將來的研究是減少壓力,探索是否在室溫下能保留氫的金屬狀態。如果這個目標實現,可能是人類科學技術歷史上的重大突破,因為理論上氫金屬是室溫超導材料。超導材料是尖端技術的代表,但是超導材料一般需要在非常低的溫度下才能實現,因此難以在工業上大量使用,因此超導研究領域一直追求的目標就是如何提高超導材料的溫度,如果能在常溫下制造出金屬氫,則可以實現長期以來超導研究的夢想。
  超導為什么讓人重視,是因為這種材料可在零損耗的情況下長距離輸送電能。給線圈輸入電流,只要你不放電,電流可以在其中持續流動,不額外消耗能量。穩定線圈電流可產生穩定磁場,這是制造強大磁場的基本方法。現在我們經常使用的核磁共振設備就是使用超導技術。另外磁懸浮列車、高檔電動機、大型強子對撞機等方面都使用超導技術。不過因為必須在接近絕對零度(一般是4度)條件下使用,所以核磁共振等設備都必須有一個非常大的杜瓦外殼,里面有液氮和液氦維持超低溫條件。超低溫條件已經成為超導應該的最主要技術瓶頸。
  如果能實現次低溫甚至常溫超導技術,將會將超導技術的成本降低巨大,超導電池能用于太陽能和風能電池,可更高效地利用這些綠色能源。大型計算機也能在更高速度下運行而不會產熱。電動機可以在非常高的功率下運轉。例如航空母艦艦載機電磁彈射技術,將可以大大減少充電時間。總之,氫金屬具有的常溫超導特征意味著我們可以充分發揮每種能源的使用效率。更值得強調的是,氫是宇宙中最常見的元素,氫有取之不盡的原材料。
  當然,也許這種室溫超導氫金屬材料根本不存在,也許會自動融化消失,也許會爆炸或轉化為氫氣。這種材料也從來沒有被發現過,只在理論上存在。如果室溫氫金屬不存在,將會動搖整個現代理論物理學的根基。如果室溫氫金屬存在,我們并不會馬上看到,進入工業應用則是更遙遠的夢想,但是擁有夢想是人類生存的信念之一,我們都需要夢想。
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