編譯：Sail2008

用金剛石對頂砧對實驗室樣本施加壓力

年輕的天體物理學家Ella Alderson深入淺出地介紹了一種未來新材料，它可能成為史上最強大的火箭推進劑，第一種室溫超導體，把計算機效能提高數千倍，幫助我們實現未來主義的核能夢想。最近我們離它的誕生​又近了一步。​

如果我告訴你有一種材料可能將成為世界上最強大的火箭推進劑，釋放的能量比太空梭多20倍，你會怎麼想？

還是這種材料，可能成為有史以來第一種室溫超導體，從而使計算機效能比現有的家用計算機強大數千倍。這一科技進步能幫助我們最終實現未來主義的核能夢想。

不僅如此，它還將使我們現有的能源工廠更安全、更高效，並徹底改變醫藥和運輸領域。

由於這些令人印象深刻的說法，自1935年首次提出這種假設以來，科學家們一直在競相研製這種材料。最近，我們離它的誕生又近了一步。

首先，要從氫開始講起

氫遍佈整個宇宙，它由一個質子和一個電子組成，是所有元素中含量最豐富的。

然而儘管其氣體狀態可能簡單得出奇，氫的複雜性卻會隨著狀態的改變而增加。木星雲頂下8000英里處巨大的液氫漩渦就是證明，太陽系中最大的海洋就在這裡。

行星深處的壓力足以壓垮質子和電子之間的化學鍵，將它們都釋放到一種奇怪的新狀態：不是等離子體，也不是氣體，而是液態金屬氫。

這裡的關鍵詞是“金屬”

1935年的一項理論預測，在足夠高的壓力下氫會具有金屬的特性，當氫分子被分解成其組成部分時，氫會變成電導體。金屬還具有明顯的光澤和堅固性，這意味著通常透明的氫氣會變得不透明。

但是，是什麼讓金屬氫與熔化的金屬（比如黃金）有區別或更好呢？不同之處在於金屬在原子水平上有晶格，晶格是由自由運動的電子包圍的離子組成的。金屬氫無法形成這種晶格，它只有一個質子，沒有足夠的組成粒子。

金屬氫的獨特氣質

據估計處於金屬狀態的氫相對比較穩定，這意味著即使壓力降低到正常水平，它仍會保持金屬狀態。這類似於把碳變成鑽石要施加巨大的壓力，即使壓力消失，鑽石仍然會保持完整。

我們不知道是否確實如此，地球上沒有金屬氫樣本。哈佛大學一組科學家曾聲稱他們能在實驗室中製造這種材料，但在進一步分析前樣本就消失了。不用說，這些科學家的主張至今仍極具爭議性。

然而，就在去年，科學雜誌《自然》上發表了一項新的、更有前景的研究。

研究人員用金剛石對頂砧對氫樣本施加壓力。一片金屬箔包裹住氫，被固定在兩個金剛石砧之間，這樣樣本就能被壓縮。

如前所述，金屬的特點之一是它們有光澤和不透明。該研究小組首先對高密度氫樣本施加少量壓力（測量單位為千兆帕，GPa），它對可見光和紅外光都是透明的。

但當壓力上升到300 GPa時，氫樣本對可見光不再透明。

接著施加在樣本上的壓力接近400 GPa，是地球大氣壓力的400萬倍。

當超過425 GPa時，樣本對紅外光也不再透明，它變得具有反射性。這一新特徵使研究人員相信，高密度氫樣本已悄然進入人們尋覓已久的金屬狀態。

隨著壓力增大，氫樣本與紅外和可見光的相互作用開始不同。

需要克服的技術瓶頸

樣本的狀態變化是可逆的，儘管還不確定在超過425 GPa的壓力下氫是否會一直保持金屬狀態。現有技術很難在高壓和低溫等極端條件下對氫樣本進行測量。

由於該原因，研究人員也無法測量樣本的導電性，而如果能獲得這一測量資料，將為金屬氫的存在提供鐵證。即便對氫變成金屬時的壓力進行計算機預測也是不準確的，因為我們無法在量子水平上為計算機提供所需的修正。

儘管如此，該研究仍可被視為氫進入金屬態的最佳證據。如果科學家真的成功製造出金屬氫，那麼這將是這種物質第一次出現在我們的星球上，而且是在我們的有生之年。

未來的主要問題包括測量金屬氫的導電性和電阻。這將幫助我們弄清楚這種元素是否能發揮其潛力，成為地球上最有價值的材料之一。

金屬氫的迷人應用前景

作為火箭燃料，金屬氫重量輕，體積小。將金屬氫轉化為分子氫將釋放出最初製備金屬氫所需的巨大能量，從而製造出一種強大的推進劑，徹底改變火箭科學。

與之相比，現有火箭的比衝量（推進劑從飛船尾部射出的速度，也是飛船能源效率的衡量標準）約為450秒。金屬氫的比衝量估計為1700秒。這意味著火箭僅需一級而不是二級就能進入軌道，有效載荷可能也要大得多。

在我們所有的創造物及其不起眼的開端中，這一個有朝一日會變得有多重要？

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