气态氢
简单结构固态氢
复杂结构固态氢
已完成实验并破碎的金刚石样品被编上号、贴上标签,保存起来。(受访者供图)
常温常压下,氢以气体状态存在。高压下,氢结晶为固体。超高压下固体氢的原子排列方式一直是未解之谜。5月14日,国际权威学术期刊《自然》发表一项重大突破:由中国科学家领衔的国际团队用X射线纳米探针首次“看见”固体氢的复杂晶体结构。这是目前世界上固体氢的最精细结构。
为什么要“看见”固体氢
压力升高,使氢的晶体结构趋于复杂。“气体氢的分子随机散落在空间中。随压力升高(5GPa),氢分子像跳棋子一样层层排列,形成固体氢。压力再升高(212-245GPa),一部分氢原子会形成蜂窝状排列,于是固体氢呈现更复杂的结构:跳棋子和蜂窝间隔着层层叠起。”论文第一作者、北京高压科学研究中心研究员吉诚说。
为什么要“看见”固体氢?“金属氢具有极高的能量密度,是氢核聚变的理想原料,应用潜力、战略意义巨大,被称为‘高压物理的圣杯’。想要找到金属氢,研究固体氢是必经之路。”高压物理学家、中科院外籍院士毛河光说。
如果说金属氢是“圣杯”,那么高压下固体氢的结构就好比“圣杯”的杯座。此次中国科学家率先“看到”精细结构的固体氢,恰处于气体氢变成固体氢之后、金属氢形成之前的高压状态。
毛河光介绍,诺贝尔物理学奖得主维格纳等人1935年预测,氢在极高压下会变为金属氢。后有物理学家提出,让氢得以金属化的压力高达500GPa——这相当于一架停在针尖上的巨型喷气式飞机对针尖施加的力。
“观测金属氢难度极大,因为氢金属化所需的超高压条件极为苛刻。我们将两颗超锋利的金刚石尖对尖,挤压中间的氢分子。用高亮度的X光穿透金刚石照射在高压氢上,X光与高压氢相互作用,就好比给固体氢‘拍照片’,得以窥见原子如何排列。”吉诚说。
“晶体结构的研究应是金属氢研究的核心。因为金属氢的奇异特性取决于其特殊的原子排列。”毛河光说,这一发现对理解金属氢的形成路径与机制提供了关键依据。
12年悉心挑选280多颗钻石
12年来,吉诚花了两百多万元科研经费,悉心挑选了280多颗钻石。但没有一颗戴在身上、没有一颗送给太太,而是全部献给了一项固体氢的研究。如今,陪伴他一次又一次失败的金刚石编着号、贴着标签,躺在一个个小盒子里。它们有的破碎,有的满是伤痕,或许不再尖锐、不再那么闪耀,价值也所剩无几,但它们在吉诚心里仍重千斤——这是时间授予他的勋章。
“刚发的那篇《自然》,实验用掉了80多颗碎钻。上一篇《自然》用掉了200多颗碎钻。这种样品,很费钱,我们用起来很珍惜。”吉诚说。
研究固体氢,岂止费钻石,还费脑费心费神。氢是宇宙中最古老、最丰富的元素,也是元素周期表第一号元素,但它依然有许多人类未解之谜。
看见固体氢的晶体结构,目前用金刚石施压是唯一办法。听上去简单,但给氢加压不是按一下按钮,压力就升上去了。这是一场与头发丝较劲、与氢捉迷藏的战斗。吉诚最怕听到的声音,是清脆的一声“啪”响。这意味着,金刚石又爆炸了。“金刚石锋利的尖只有头发丝直径的四分之一。有时一加压,氢气还没变成固体,就已经跑掉。还有的氢气虽没跑掉,但钻进了金刚石里,金刚石又会碎掉。”
研究氢,是勇敢者的游戏。这意味着与无尽的失败为伴。吉诚说,他特别敬佩的法国一个国家实验室的研究团队,1996年发表了一篇震惊学界的论文之后,仍坚持冲击氢晶体结构研究数十年,再难有成果问世。“可正因研究氢够难,所以值得。”从选择研究氢结构的那一刻,吉诚就做好了10年颗粒无收的准备。
氢,改变了吉诚的世界观。“这个世界是有规律的,又是混沌的。但这并不矛盾,甚至是一体的阴和阳。”
向太太求婚时,对于“要不要买钻石”这事,吉诚陷入了沉思。人们买钻石,是因为不碎的钻石象征着爱的永恒。可他的实验室里,有太多碎掉的钻石。于是他反思:到底什么是永恒?终于有一天,他的答案脱口而出:“宇宙大爆炸的那一刻,氢就存在了。氢可能就是一种永恒。”
据新华社
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