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氫氣知識

氫研究在給科學家驚喜

發布時間:2017-09-04 瀏覽次數:次 字號:  【關閉】
       氫在科學歷史上一直都給人們以驚喜,氫是自然界最簡單的原子,是宇宙最早形成的元素,也是宇宙的主要組成元素。科學家從來都偏愛簡單,因此氫一直受到科學家的青睞。歷史上最偉大的科學家如玻爾、佐墨菲爾德、斯特恩、海森堡、泡利、薛定諤、狄拉克、尤里、拉比等等都深深迷戀著氫原子。今天氫仍然有許多秘密沒有被人類認識,尤其是最近10年發現氫氣的生物學效應開始引起生物醫學的關注,因為這種簡單安全的氣體分子可能會對醫學產生革命性影響。
         科學家最近研究發現,在極端壓力下,氫與石墨烯具有驚人的相似之處。這一研究成果是12月份《化學研究述評》的封面推薦文章。在正常大氣壓的200萬至350萬倍壓力條件下對氫的變化進行了觀察。出人意料的是,在極端高壓條件下氫轉化成了單層片狀結構,6個氫原子形成的氫環的單層片狀結構,這種結構類似石墨烯的結構,與多年前科學家的預測大相徑庭。

氫是宇宙中最豐富的元素。氫的結構簡單得出奇——每個氫原子由一個單電子構成。玻爾正是利用氫原子為模型,提出了了電子軌道的原子結構理論,使人類第一次認識到原子是類似太陽系一樣的結構。量子力學誕生時,氫成了化學鍵理論的試驗場。科學家根據量子力學理論推測,極端高壓條件下氫會變成像金屬一樣光澤且導電性強的物質。

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之中,分子分離成單原子,電子的行為特征像金屬電子一樣。早在80多年前,這種狀態的氫首次在理論中被提出。從40多年前開始,科學家們一直在努力嘗試再造這種狀態的氫,但均未能成功。此次英國愛丁堡大學科學家利用鉆石對頂砧對氫實施壓縮到前所未有的高壓狀態,從而證實了這種罕見的“金屬態氫”的存在。“金屬態氫”狀態不穩,科學家此前也從未見過“金屬態氫”。
   
   太陽和太陽系的大型行星的內核主要由這種高壓形式的氫元素構成。該項研究主要負責人、英國愛丁堡大學物理和天文學學院科學家尤金-格雷高里安茲教授介紹說,“在過去30年間,在無數次的高壓實驗中,科學家們都聲稱制造出金屬態氫,但后來這些實驗結果都被證明無效。我們的研究首次拿出了實驗證據證明氫可以像預測的那樣擁有固體金屬態,不過所需要的壓力也比此前想像的要高得多。研究成果將有助于基礎科學和行星科學的發展。”英國愛丁堡大學研究團隊利用鉆石對頂砧制造出某種極端高壓狀態,即生成“第五狀態氫”所必需的壓力狀態,將氫壓縮成新的固體狀態。為了達到“第五狀態”,研究團隊所實現的壓力相當于325萬個地球大氣壓。科學家們利用激光顯微拉曼光譜儀觀測到了這種狀態的變化,從而通過實驗證明了氫的這種不尋常特性。在這種極端高壓狀態下,分子開始分離成單原子。研究人員發現,電子的行為與金屬電子的行為特征相似。盡管此次實驗比此前的實驗邁進了一大步,但科學家承認還需要繼續努力加以佐證。此外,為了生成單純的原子和金屬狀態可能還需要更大的壓力。

每層石墨烯包含若干由6個碳原子構成碳環并呈現出蜂窩狀結構。石墨烯約在10年前被發現和人工合成,它質量很輕,但卻極其強韌,具有非常好的導電、導熱性能。這些特征使之在光學電子屏幕、高性能光伏電池等領域有廣泛應用價值。

研究結果表明,特殊條件下氫結構的穩定性源于氫環的內在穩定性。這些氫環也具有“芳香性”,這在含碳分子苯以及石墨烯中是很好理解的:芳香結構呈現出一種環狀,可以看作是單鍵碳原子和雙鍵碳原子的交替排列。實際上,構成這些單雙鍵原子交替排列的電子會在環形結構的內側漂浮,這增加了環形結構的穩定性。
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