什么是金屬氫

【專(zhuān)家解說(shuō)】：液態(tài)或固態(tài)氫在上百萬(wàn)大氣壓的高壓下變成的導(dǎo)電體、由于導(dǎo)電是金屬的特性，故稱(chēng)金屬氫。 早在1935年，英國(guó)物理學(xué)家就預(yù)言，在一定的高壓下，任何絕緣體都能變成導(dǎo)電的金屬，只是，不同的材料轉(zhuǎn)變成導(dǎo)電金屬所需的壓力不同而已，有的材料，如磷，已能獲得導(dǎo)電體，但穩(wěn)定的金屬氫樣品始終沒(méi)有得到。在蘇聯(lián)、日本、美國(guó)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，只在上百萬(wàn)大氣壓的超高壓下得到了金屬氫，不過(guò)，一旦恢復(fù)常壓，氫又回復(fù)到初始狀態(tài)。判斷得到了金屬氫，依據(jù)是當(dāng)處于高壓下時(shí)，它的電阻從108歐姆變?yōu)?02歐姆（蘇聯(lián)人的數(shù)據(jù)），或從1.26×1012歐姆降到102歐姆（日本人的數(shù)據(jù)）。 從理論上來(lái)看，在超高壓下得到金屬氫是確實(shí)可能的。不過(guò)，要得到金屬氫樣品，還有待科學(xué)家們進(jìn)一步研究。 盡管目前還末把金屬氫拿到手，但理論工作者推斷，金屬氫是一種高溫超導(dǎo)體，是高密度、高儲(chǔ)能材料。 已掌握的超導(dǎo)材料大多需在液氦（－269℃)冷卻下使用，這使超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展受到限制。金屬氫的超導(dǎo)臨界溫度(即體現(xiàn)超導(dǎo)性質(zhì)主最高溫度)是-223－-73℃，能夠在液氮（－196℃)溫度下使用這將大大推動(dòng)超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展。 由于金屬氫是高密度材料，用它作燃料，火箭的體積和重量都會(huì)大大減小，航天事業(yè)將因此而產(chǎn)生巨大的飛躍。 和化學(xué)家不同，天文學(xué)家將氫和氦以外的一切元素統(tǒng)稱(chēng)為金屬。在高溫和高壓條件下，氣態(tài)的氫也可以成為電導(dǎo)體的金屬氫。以木星為例：最外層是1000公里厚的氣態(tài)分子氫，再往下是24000公里厚的液態(tài)分子氫，再往下是45000公里厚的液態(tài)金屬氫。 金屬氫 氫是人們最熟悉的化學(xué)元素。它在常溫下是一種氣體，在低溫下可以成為液體，在溫度降到零下259℃時(shí)即為固體。如果對(duì)固態(tài)氫施加幾百萬(wàn)個(gè)大氣壓的高壓，就可能成為金屬氫。金屬氫的出現(xiàn)是當(dāng)代超高壓技術(shù)創(chuàng)造的一項(xiàng)奇跡，它是目前高壓物理研究領(lǐng)域中一項(xiàng)十分活躍的課題。 氫在金屬狀態(tài)下，氫分子將分裂成單個(gè)氫原子，并使電子能夠自由運(yùn)動(dòng)。在金屬氫中，氫分子鍵斷裂，分子內(nèi)受束縛的電子被擠壓成公有電子，這種電子的自由運(yùn)動(dòng)，使金屬氫具有了導(dǎo)電的特性。因此，把氫制成金屬，關(guān)鍵就是把電子從原子的束縛下解放出來(lái)。 1936年美國(guó)科學(xué)家維那對(duì)氫轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俚膲毫ψ髁耸状斡?jì)算，提出了氫轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俚呐R界壓力是在100萬(wàn)到1000萬(wàn)大氣壓的范圍以內(nèi)。目前在世界各國(guó)正通過(guò)多種途徑來(lái)產(chǎn)生超高壓制取金屬氫。比較成熟的有兩種方法，一種叫動(dòng)態(tài)壓縮法，即是從強(qiáng)磁場(chǎng)中采用快速?zèng)_擊壓縮，獲取高壓來(lái)制取金屬氫。另一種叫靜態(tài)壓縮法，即采用1000t重以上的壓力機(jī)或用將近10層樓高的水壓機(jī)來(lái)產(chǎn)生100～200萬(wàn)大氣壓的高壓，壓縮液氫來(lái)制造金屬氫。 為什么人們?nèi)绱速M(fèi)盡心血地來(lái)研制金屬氫呢？這是因?yàn)橐坏┙饘贇鋯?wèn)世，就如同當(dāng)年蒸汽機(jī)的誕生一樣，將會(huì)引起整個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域一場(chǎng)劃時(shí)代的革命。 金屬氫是一種亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)，可以用它來(lái)做成約束等離子體的“磁籠”，把熾熱的電離氣體“盛裝”起來(lái)，這樣，受控核聚變反應(yīng)使原子核能轉(zhuǎn)變成了電能，而這種電能將是廉價(jià)的又是干凈的，在地球上就會(huì)方便地建造起一座座“模仿太陽(yáng)的工廠”，人類(lèi)將最終解決能源問(wèn)題。 金屬氫又是一種室溫超導(dǎo)體，它將甩掉背在超導(dǎo)技術(shù)“身上”的低溫“包袱”。超導(dǎo)材料是沒(méi)有電阻的優(yōu)良導(dǎo)體，但現(xiàn)在已研制成功的超導(dǎo)材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度多在零下250℃左右，這樣的低溫工作條件，嚴(yán)重地限制了超導(dǎo)體的應(yīng)用。金屬氫是理想的室溫超導(dǎo)體，因此，可以大顯身手。 用金屬氫輸電，可以取消大型的變電站而輸電效率在99％以上，可使全世界的發(fā)電量增加四分之一以上。如果用金屬氫制造發(fā)電機(jī)，其重量不到普通發(fā)電機(jī)重量的10％，而輸出功率可以提高幾十倍乃至上百倍。 金屬氫還具有重大的軍用價(jià)值。現(xiàn)在的火箭是用液氫作燃料，因此必須把火箭做成一個(gè)很大的熱水瓶似的容器，以便確保低溫。如果使用了金屬氫，火箭就可以制造得靈巧，小型。金屬氫應(yīng)用于航空技術(shù)，就可以極大地增大時(shí)速，甚至可以超過(guò)音速許多倍。由于相同質(zhì)量的金屬氫的體積只是液態(tài)氫的1/7，因此，由它組成的燃料電池，可以較容易地應(yīng)用于汽車(chē)，那時(shí)，城市就不再像現(xiàn)在這樣喧嘩、污染而變得十分清潔、安靜。 金屬氫內(nèi)儲(chǔ)藏著巨大的能量，比普通TNT炸藥大30—40倍。因此，金屬氫聚變時(shí)釋放的能量要比鈾核裂變大好多倍。伴隨著金屬氫的誕生必將會(huì)產(chǎn)生比氫彈威力大好多倍的新式武器。 從20世紀(jì)40年代開(kāi)始，美、日等國(guó)就投入了大量的人力、物力研制金屬氫。目前，世界上的高壓實(shí)驗(yàn)室已達(dá)100多個(gè)。美國(guó)已研制成功了能產(chǎn)生100萬(wàn)大氣壓的壓力機(jī)，日本研制成功了“分離球體式多級(jí)多活塞組合裝置”能產(chǎn)生200萬(wàn)個(gè)大氣壓。近年來(lái)，日本等幾個(gè)國(guó)家宣布已在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研制成功了金屬氫，這是人類(lèi)向金屬氫邁出了可喜的一步。而要使金屬氫大規(guī)模投入工業(yè)生產(chǎn)，還有相當(dāng)大的困難。但它已有力地推動(dòng)和促進(jìn)了超高壓技術(shù)、超低溫技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、空間技術(shù)、激光、原子能等20多門(mén)科學(xué)技術(shù)向著新的深度發(fā)展?？梢灶A(yù)言，大規(guī)模制造金屬氫的時(shí)代已為期不遠(yuǎn)了。