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金屬氫

金屬氫是一種氫元素的簡併態物質，雙原子分子H
2的同素異形體。當氫氣被充分壓縮，經過相變後便會產生金屬氫，此形態的氫表現出金屬的特性。此形態是由1935年以理論預測出[2]。

木星剖面圖
像木星、土星這一類的氣態巨行星，其內部可能含有大量的金屬氫(灰色部分)及金屬氦[1]

固態金屬氫是由原子核（即質子）組成的晶體結構，其原子間隔小於玻爾半徑，與電子波長長度相當（參見德布羅意波長）。電子脫離了分子軌道，表現為一般金屬中的自由電子。而在『液態』金屬氫中，質子沒有晶格次序，質子和電子組成液態的系統。

2017年1月，哈佛大學的Ranga Dias研究團隊宣稱通過對氫氣施加495GPa的高壓，首次製得固態金屬氫[3][4]，隨後在2月22日，將盛放金屬氫的鑽石容器打破，失去了唯一一塊金屬氫樣本[5]。

理論預測

金屬化的所需的壓力

雖然氫元素位於元素周期表鹼金屬列頭，但氫氣在常態下並不是鹼金屬。在1935年，物理學家尤金·維格納和希拉德·亨廷頓（英語：Hillard Bell Huntington）預測，在250,000個大氣壓（約25GPa）下，氫原子核會失去對電子的束縛能力，呈現出金屬性質[6]。此後的實驗表明，對壓力的最初假設不足[7]。理論計算表明使氫氧金屬化需要更高的壓力，但是仍然是可通過實驗可得到的。

愛丁堡大學極限和科學中心[8] 教授Malcolm McMahon[9] 指出，他們正在研究產生5,000,000大氣壓的技術（大於地球中心的壓力），希望能產生金屬氫。

液態金屬氫

質子質量是4He的四分之一。在常壓下，由於高零點能，質子在絕對零點附近也呈現液態。同樣的，質子在密集的狀態下，零點能也很高，在高壓縮狀態下，有序能會降低。壓縮氫的最高熔點目前還處於爭論之中。[10][11]

超導性

尼爾·阿什克羅夫特提出，金屬氫在常溫下（290K）也可能是超導體。[12]此溫度遠高於任何已知材料。

實驗進展

世界各國正通過多種途徑來產生超高壓製取金屬氫。比較成熟的有兩種方法，一種叫動態壓縮法，即是從強磁場中採用快速衝擊壓縮，獲取高壓來製取金屬氫。另一種叫靜態壓縮法，即產生100～200萬大氣壓的靜態高壓，壓縮液氫來製造金屬氫。

2011年，科學家在2,600,000-3,000,000大氣壓（260-300 GPa）下觀測到液態金屬氫和金屬氘[13][14]。2012年，其他研究人員質疑該成果是否屬實[15][16]。

2015年，科學家宣稱使用Z脈衝功率設施製造出金屬氘[17]。

靜態壓縮

2017年，美國哈佛大學科學家，利用鑽石高壓砧法將以3250萬公斤的力施加於6.5平方公分的氫樣本上，此壓力已強過地心壓力，也已逼近合成鑽石強度崩潰邊緣。 成功讓氣體型態的氫在充分壓縮後，轉變成為金屬氫[18]。

動態壓縮

1996年3月，勞倫斯利福摩爾國家實驗室的科學家報道他們無意中得到了可辨別的金屬氫，其溫度是1000K和壓力超過1,000,000大氣壓（大於100GPa）。[19]

太空中的金屬氫

金屬氫被認為會存在於一些氣態巨行星的內部，如木星、土星以及一些新發現的太陽系外行星等。但是，由於氣態巨行星內部實際溫度要高於以前的理論預測，因此金屬氫可能比預計的更多和更靠近行星表面。

應用

室溫超導體

有理論稱亞穩態金屬氫（簡稱MSMH）在壓力釋放之後，可能不會立即恢復成普通氫氣。部分科學家預測，亞穩態金屬氫在290K可能也是超導體，遠高於已知的超導體材料。[20]

原子能

慣性約束聚變中涉及使用激光束轟擊氫同位素。對極限條件下氫氣的性質的了解能幫助增加效率。

能源

有可能產生大量的金屬氫的實際用途。有理論稱亞穩態金屬氫（簡稱MSMH）在壓力釋放之後，可能不會立即恢復成普通氫氣。

MSMH是個有效而且乾淨的能源，最終產物只有水。MSMH燃燒時，會比普通氫氣更劇烈，將會釋放九倍於普通氫，五倍於目前航天飛機燃料（液態H2/O2）的效果。但是，勞倫斯利福摩爾的實驗過於簡單，還不能確定亞穩態的金屬氫是否存在。

參見

參考資料

  1. ^ http://www.pnas.org/content/105/32/11035.extract
  2. ^ Wigner, E.; Huntington, H. B. On the possibility of a metallic modification of hydrogen. Journal of Chemical Physics. 1935, 3 (12): 764. Bibcode:1935JChPh...3..764W. doi:10.1063/1.1749590. 
  3. ^ Crane, L. Metallic hydrogen finally made in lab at mind-boggling pressure. New Scientist. 26 January 2017 [2017-01-26]. （原始內容存檔於2017-02-18）. 
  4. ^ Dias, R. P.; Silvera, I. F. Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen. Science. 2017 [2017-01-27]. arXiv:1610.01634  . doi:10.1126/science.aal1579. （原始內容存檔於2017-02-15）. 
  5. ^ Johnston, Ian. World's only piece of a metal that could revolutionise technology has disappeared, scientists reveal. Independent. 13 February 2017 [2018-06-30]. （原始內容存檔於2022-05-12）. 
  6. ^ [1] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） E. Wigner and H. B. Huntington, On the Possibility of a Metallic Modification of Hydrogen J. Chem. Phys. 3, 764 (1935).
  7. ^ [2] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） P. Loubeyre, R. LeToullec, D. Hausermann, M. Hanfland, R. J. Hemley, H. K. Mao, and L. W. Finger, X-ray diffraction and equation of state of hydrogen at megabar pressures Nature 383, 702 (1996).
  8. ^ 存档副本. [2008-12-11]. （原始內容存檔於2021-04-17）. 
  9. ^ 存档副本. [2015-08-22]. （原始內容存檔於2009-06-07）. 
  10. ^ [3][永久失效連結]. Ashcroft N.W., The hydrogen liquids, J.Phys. A 12, A129-137 (2000).
  11. ^ [4] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. Bonev, S.A., Schwegler, E., Ogitsu, T., and Galli, G., A quantum fluid of metallic hydrogen suggested by first principles calculations Nature 431, 669 (2004).
  12. ^ [5] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. N. W. Ashcroft Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor? Physical Review Letters 21 1748–1749 (1968).
  13. ^ Eremets, M. I.; Troyan, I. A. Conductive dense hydrogen. Nature Materials. 2011, 10 (12): 927–931. Bibcode:2011NatMa..10..927E. doi:10.1038/nmat3175. 
  14. ^ Dalladay-Simpson, P.; Howie, R.; Gregoryanz, E. Evidence for a new phase of dense hydrogen above 325 gigapascals. Nature. 2016, 529 (7584): 63–67. Bibcode:2016Natur.529...63D. doi:10.1038/nature16164. 
  15. ^ Nellis, W. J.; Ruoff, A. L.; Silvera, I. S. Has Metallic Hydrogen Been Made in a Diamond Anvil Cell?. 2012. arXiv:1201.0407   [cond-mat.other]. no evidence for MH 
  16. ^ Amato, I. Metallic hydrogen: Hard pressed. Nature. 2012, 486 (7402): 174–176. Bibcode:2012Natur.486..174A. doi:10.1038/486174a  . 
  17. ^ Z machine puts the squeeze on metallic deuterium. Chemistry World. [2017-01-27]. （原始內容存檔於2016-06-16）. 
  18. ^ 《科學實驗成功》高壓製成金屬氫 可能用作超導體 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館），自由時報
  19. ^ [6] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） S. T. Weir, A. C. Mitchell, and W. J. Nellis, Metallization of Fluid Molecular Hydrogen at 140 GPa（1.4 Mbar）Physical Review Letters 76, 1860 - 1863 (1996).
  20. ^ 科學家高壓創造出全新物質—「金屬氫」，可能用作超導體. [2017-01-29]. （原始內容存檔於2020-10-20）. 
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