金属氢是什么，有什么用？
2017初至，在科技界爆出一个革命性的科学新闻报道：人类首次合成了金属氢[1]。几代科研工作者努力了八十多年，终于在哈佛大学的实验室中实现夙愿。新闻报道用了“革命性”“里程碑”“圣杯”等词汇来形容这一成果，但紧接着又爆发出质疑的声音。抛开争议，金属氢到底是什么？它是怎么被制造出来的，又有什么用？
撰文 高子睿（大连理工大学化工与环境生命学部）
审校 刘晓迪（中国科学院固体物理研究所）
编辑 韩琨 丁家琦
早在1935年，理论物理学家Wigner和Huntington就预言了金属氢的存在[2]，激发了人类跨越世纪的探索。之前已经有不少科学家、课题组宣布他们合成了金属氢，随即又被证明无效。如此神奇的金属氢，之前地球上是不存在的。据说，木星核心由于巨大的压力和低温条件，有可能存在金属氢，不过这离我们太过遥远[3]。
这次，科学家们还没兴奋几天，剧情便戏剧化地反转了。仅过了一个月，报道合成金属氢的两位科学家Isaac和Ranga表示，由于后续实验操作，加压用的金刚石对顶砧破裂，其中的金属氢或已灰飞烟灭。随即，便有更多科学家发声，质疑金属氢存在的真实性，双方就此争论不休。
要解决争论，进一步的实验是必要的，我们不妨拭目以待。不过，金属氢到底是什么？它和我们有关吗？我们能用它做什么？
氢、金属、金属氢
氢
小时候，我们就知道把一种“轻气”充进气球里，气球就能飞起来，长大了才知道这种“轻气”是“氢气”——最轻的气体，而且它具有最简单的结构。
图1. 氢分子示意图，大圆圈表示原子核，小圆圈表示电子，连线只表示联系（注：本图为漫画性的表达，制图：陈曦）
“氢”的应用范围十分广泛。人们熟悉的磁共振成像技术，最早是科学家在对氢原子的研究中发展产生的。氢燃烧之后只生成水，热值高且环保，在能源方面有广泛利用，如氢能源汽车、火箭燃料等。神秘的量子力学也离不开氢的参与——当年，正是玻尔将轨道系在了只有一个质子的氢原子核的腰间，才开启了奇幻的量子世界的大门。
总之，氢的神奇正如《氢的传奇》中美国作家约翰·里格登所说：“也许正是因为氢原子的这种简单，使科学家们得以解开自然界中的一些谜团。这个渺小的原子不断给那些最出色也最自信的科学家们带来惊奇，同时也不断为我们了解自然做出贡献。[4]
金属
说到金属，我们一定不会觉得陌生，但是要给金属下一个简单的定义，却并不容易。它有一些常见性质，比如通常有光泽，通常有良好的导电性等，但我们不能仅由性质来下定义。在此，我们不妨用金属键理论——金属中原子之间的作用力来定义。
图2. 金属原子示意图（制图：陈曦）
金属中的原子一个个规则地排列着，而原先他们的“私有财产”——原子核外的一部分电子则被整个大家庭共享，称为自由电子。这些自由电子像是脱离了家长管束的小孩子，和小伙伴们自由地在原子的空隙中间跑来跑去，于是，电场下自由电子的定向移动解释了金属的导电性。
图3. 金属导电性示意图（制图：陈曦）
金属氢
金属和氢的结合过程，看起来非常具有戏剧性。自然界造化万千，多样性体现在不同层次上，仅从化学的角度看，至今人类发现了构成物质世界的一百多种元素，各种元素的不同组合，体现在宏观物质世界上，就构成了无数的化合物和单质。哪怕一种确定的物质，也存在不同的状态。众所周知，水会变成固态的冰，也会变成气态的水蒸气。那么，氢气也应该有气态、液态和固态。我们知道，除了汞，金属在常温下都是固态的，那是不是说氢在极低的温度下（-259.2℃）凝固成固态氢，就成了金属氢了？问题当然不会这么简单，我们只能说金属氢只是氢在固态下的一种。当然，这并非绝对，还存在另一种液态形式的金属氢。本次新闻报道的则是通过低温高压手段得到的金属氢。
刚才提到，金属的本质在于构成物质的原子之间的作用力是金属键，简单地说，如果把氢气分子之间的分子键转变成金属键，那么金属氢就制成了。当然，说起来简单，但人类对这一问题已经研究了八十多年。
金属氢是怎么制造出来的？
千呼万唤始出来。下面我们就来看一下，金属氢究竟是怎么做出来的。
我们都知道，降温会使水结冰，液化气则是把可燃气体通过压缩变成液体，降温和加压是制造更稳定状态的两种手段。科学家也是这么做的。不过，想要做出金属氢，对温度和压力的要求都更为苛刻。
据报道，在哈佛的实验室中，科学家在极低的温度下，利用特殊处理的金刚石砧对固态氢施加了495GPa的压力，这个压力相当于大气压的近500万倍，而我们地球的核心压力也只有大气压的360万倍左右。显然相比于创造低温环境，产生超高压难度更大。超高压环境的创造是金属氢制备的核心步骤，也是最困难的地方。在这样的低温超高压环境下，氢变成金属氢，光泽耀眼，反射率高达0.91，产生了自由电子的金属化迹象。于是有了下面的一组照片（图4）：
图4. （图片来源：参考资料[1]）
此时，氢原子之间的作用力转化为金属键，每个氢核外的仅有的一个电子终于挣脱束缚，成为自由电子。这个过程相当复杂。不过，人类为什么要把飘逸自由的气体制成结构有序的金属呢？
金属氢的神奇之处
首先，金属氢具有巨大的能量。简单地说，我们在制作金属氢时赋予了巨大的能量，反过来，巨大的能量还会释放出来，利用此特点，我们可以用它来做火箭燃料。
其次，金属氢极为重要的特性在于，它可能是一种高温超导材料。
我们都知道，电的使用无处不在，但是当电流通过导线或者其他物体的时候，由于电阻，总是要交一些“过路费”，损耗部分能量。简单地说，超导材料就是在一定温度之下，材料电阻变为零、没有能量损耗的材料。然而，一般的超导材料需要降到非常低的临界温度下才能转化为超导态，实现起来极为困难。而金属氢恰好可能成为一种高温超导材料。请注意，这里的“高温”只是相对的，对于一种超导材料，临界温度能达到室温或者较室温稍低的温度，性能就已经很优异了。所以，人们才会如此渴盼或能成为高温超导材料的金属氢的诞生。
最后，我们再看一下制造金属氢实验所用的仪器（图5）。这就是“金刚石对顶砧”。尽管实验人员前期通过化学刻蚀、真空高温退火等精密操作，使金刚石对顶砧成为“钻石中的钻石”，但是由于后续试验操作失误，金刚石砧还是碎成了粉末。
图5. 金刚石对顶砧示意图（图片来源：Tobias1984/CC BY-SA 3.0）
总而言之，金属氢的前途不可限量。虽然金属氢的实现极具挑战，但目前看来只是时间问题，如何用得上、用得好，才是人类之后面对的更大挑战。
参考资料：
[1] Dias, R. & Silvera, I. F. Observation of the Wigner-Huntington transitionto metallic hydrogen[J], Science 355, 715–718 (2017)
[2] E. Wigner, H. B. Huntington. On the Possibility of a Metallic Modification of Hydrogen[J], J. Chem. Phys. 3, 764–770(1935).
[3] In Bagenal, F.; Dowling, T. E.; McKinnon, W. B. Jupiter: The Planet, Satellites andMagnetosphere[M] Cambridge University Press 03 (2007)
[4] John S. Rigden. Hydrogen: The Essential Element[M], American Journal of Physics 71, 189 (2003)
金属氢新闻报道：http://www.sciencemag.org/news/2017/01/diamond-vise-turns-hydrogen-metal-potentially-ending-80-year-quest
金属氢受质疑的报道：http://www.nature.com/news/physicists-doubt-bold-report-of-metallic-hydrogen-1.21379
作者手记：
作为一个学化学的学生，我对物理颇感兴趣，尤其对年初关于“金属氢”的科学报道，格外关注。在我看来，科普就是用尽量通俗、准确、有趣的语言讲清楚一个科学问题。知识的传递是科普文价值的体现，而且这种传递也需要责任，所以科普文的写作尤其难以拿捏。我尝试写下这篇科普小文，经过反复修改，希望能够说清“金属氢”是什么。感谢中科院固体物理研究所的刘晓迪老师为本文审校，并提出宝贵修改意见。
