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高压可让氢气呈现全新结构

文章出处:责任编辑:作者:人气:-发表时间:2016-12-09 10:20:00【

  科学家给宇宙中最轻的元素——氢加上难以置信的高压,得到了一种崭新的物质结构,氢V(即氢的第五种物质状态)。更多信息请点击:在线询价,或者拨打我们的热线电话:400-6277-838

 

  这种结构很可能是20世纪30年代提出的所谓“原子固体金属氢”的前身。理论预言,只要把温度降得足够低,通常情况下为气态的氢气就能变成固体,而再加上足够高的压强,它就能变成金属。

  行星科学家认为,像木星这样的气体巨行星的内部也有着极高的压力,因此其内部很可能就是由类似固态氢的物质组成。因此,通过人为制造超高压来压缩氢气,也能帮助科学家了解气体巨行星的内部结构。

  压缩氢气

  在英国爱丁堡大学,一名博士生PhilipDalladay-Simpson正在导师RossHowie和EugeneGregoryanz的指导下将一小部分氢气输进两个金刚石砧(diamondanvil)之间,随后将压强加到384吉帕斯卡(GPa,我们地球的大气压约为100KPa,这个压强相当于大气压的384万倍)。理论预言,当压强达到325GPa时,氢就会开始固化,氢原子形成层状结构,每层的原子在规则与混乱排布之间来回转换,而这是人类首次在室温下实现氢的该种结构。

  “我们的压强和温度都在先前工作的基础上实现了大幅提升。”Dalladay-Simpson说。液态氢已经可以在工业中通过低温和数十个大气压的压强生产出来,但至今还未曾有人将氢变成固体。

  任何物质的沸点都会随着压力的上升而上升(反之下降),如果你住在西藏,水的沸点就比内地低一些,烹饪的方式也要

  发生变化。而对于氢,就需要加上极高的压强才能把它的沸点提高到室温,让它在室温下液化,甚至凝固。

  通往金属氢之路

  2011年,德国马克斯·普朗克化学研究所的研究者宣称他们制造出了金属氢,但该结果受到了其他科学家的质疑,一直没有得到确认。Dalladay-Simpson说他们的团队也不能说制造出了金属氢,但发现了氢的一种新结构,接近于金属。所有的材料都有不同的结构状态,在物理学和化学上称为“相”(phase)。固、液、气就是三种最常见的相,而在极端条件下还有更多的相产生。

  为什么高压会让氢产生不同的相呢?这是因为高压迫使原本两两组合成氢分子的氢原子都挤到了一起,形成类似冰一

  样的结构,原本的分子与分子之间作用力增强,但仍然弱于分子内两个氢原子之间的作用力。“加压让原子与所有邻近的原子都挤到一起,迫使分子之间发生相互作用,氢—氢键也开始断裂。”Dalladay-Simpson说。

  那么,怎么证明氢的结构发生了改变呢?研究人员用激光照射它,发现它的拉曼散射波长发生了改变,这表明出现了一种新的物质结构。

  “我们的论文并没有说发现了氢的金属态,只说这是金属态的前身,因为它和理论预言的固态金属氢有相似之处。”目前在中国上海高压先进科研中心任职的Howie再次强调。研究者还不能确定得到的相是不是金属,因为金刚石砧之间的间隙太小了,他们无法把电极放进去测定该物质的电导率。

  粉碎钻石的超高压

  为了得到确定无疑的金属态,研究人员还需要进一步提高压强,至少得达到400GPa到450GPa,而这么高的压强可能已经超过了金刚石砧所能达到的极限,会让金刚石也粉身碎骨。Dalladay-Simpson表示,他们未来计划进一步提高压强,看看金刚石砧能撑多久。

  而其他技术目前都无法很好地用来压缩氢气。“对氢气进行压缩处理极为困难,因为它很轻,容易从容器中泄漏出去,同时化学活性又很强,易与其他材料发生化学反应。”Howie说。

  不过科学家没有被这些困难所吓倒,仍然打算进一步推进研究。有理论预测液态金属氢可能是一种室温超导体,这也给他们的研究带来了一些应用前景。

 

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