眾所周知，按照元素周期表的排列順序，氫是宇宙中最輕的元素，而鋰是第三輕的元素。在正常的溫度及壓力條件下，氫為氣體，而鋰為固體。氫氣分子則是由兩個(gè)緊密結(jié)合在一起的氫原子組成的，每個(gè)氫原子貢獻(xiàn)一個(gè)電子。但將氫金屬化并不容易，因?yàn)樗且粋€(gè)在極端高壓下反應(yīng)的過程。
近日，美國國家科學(xué)院學(xué)報(bào)刊登了一篇文章。文章由來自康奈爾大學(xué)及紐約州立大學(xué)的科學(xué)家們共同撰寫。他們表示，如果往氫氣里面加入少量的金屬鋰，氫氣金屬化所需壓強(qiáng)將降至原來的1/4，并形成具有超導(dǎo)性質(zhì)的化合物。美國國家科學(xué)基金會為該研究提供資金。
何謂金屬氫
在木星和土星上，由于地心引力及壓強(qiáng)極大，氫氣會以金屬態(tài)存在。目前，科學(xué)家就正在嘗試模擬與木星和土星上相似的環(huán)境，將氫原子的外層電子“奪”過來，形成金屬氫。
為什么要將氫的外層電子“奪”過來？科學(xué)家解釋道，這是金屬氫形成的關(guān)鍵。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)，使氫具有了導(dǎo)電的性質(zhì)。由于導(dǎo)電是金屬的特性，科學(xué)家才形象地將這一氫的新狀態(tài)稱為“金屬氫”。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。但想要做到這一點(diǎn)并不容易，因?yàn)闅湓觾H有一個(gè)電子，二者的結(jié)合極為緊密。如果有足夠的壓力把大量氫原子非常緊密地?cái)D在一起，以致各個(gè)原子都被８個(gè)、１０個(gè)甚至１２個(gè)近鄰原子所包圍。于是，每個(gè)氫原子的單個(gè)電子，不管原子核是否有異常強(qiáng)的吸引力，就可能開始從一個(gè)相鄰原子滑到另一個(gè)相鄰原子，形成運(yùn)動(dòng)。這樣就會得到“金屬氫”。
模擬極端壓強(qiáng)
如何模擬火星、土星表面的環(huán)境？科學(xué)家用金剛石壓砧（DAC），在340萬個(gè)大氣壓強(qiáng)的極端壓強(qiáng)環(huán)境下對氫氣進(jìn)行擠壓。為使人們對壓強(qiáng)概念有一個(gè)更直觀的了解，科學(xué)家解釋道，海平面的壓強(qiáng)為1個(gè)大氣壓，而地球核心的壓強(qiáng)則約為350萬個(gè)大氣壓。在制造如此高壓、穩(wěn)定的大氣壓強(qiáng)的過程中，科學(xué)家遇到了巨大的困難。他們使用了多種方法，其中就包括使用沖擊波，但效果仍不甚理想。為降低氫氣金屬化對壓強(qiáng)的要求，科學(xué)家想到了把氫氣與其他元素相結(jié)合。
氫鋰結(jié)合使金屬化更容易
研究人員表示，氫氣與金屬鋰在壓強(qiáng)很大的情況下會發(fā)生反應(yīng)，生成一種非金屬態(tài)的穩(wěn)定化合物（LiH）。該研究小組正在試驗(yàn)不同的氫與鋰的組合。其中一個(gè)組合為：1個(gè)鋰原子與6個(gè)氫原子結(jié)合，組成一種化學(xué)式為LiH6的化合物。通過復(fù)雜的計(jì)算機(jī)運(yùn)算，科學(xué)家預(yù)測，在這種假想的化合物中，鋰原子將被激活，并釋放唯一的外層電子，分散在3個(gè)氫原子之間，成為自由導(dǎo)電電子?？茖W(xué)家已經(jīng)證明，在加壓的情況下，LiH6是一種穩(wěn)定的氫金屬化合物。相比而言，雖然LiH6在常壓下也以金屬形態(tài)存在，但這時(shí)它會變得不穩(wěn)定，容易分解成LiH和氫氣。
紐約州立大學(xué)助理教授伊娃·蘇里克（Eva Zurek）說：“向氫氣中加入金屬鋰的好處在于，它可以降低將氫氣金屬化所需的壓強(qiáng)。形成穩(wěn)定的LiH6約需要100萬個(gè)大氣壓強(qiáng)，而將純氫金屬化則需大約400萬大氣壓強(qiáng)。”
金屬氫的能源利用前景
1981年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主、康奈爾大學(xué)教授羅爾德·霍夫曼說：“十分有趣的是，在100萬至160萬大氣壓之間，所有已接受測試的鋰、氫化合物都處于穩(wěn)定或亞穩(wěn)定狀態(tài)，并呈金屬態(tài)。”除LiH6外，研究人員還研究了另外一種鋰、氫化合物：LiH2（含1個(gè)鋰原子與2個(gè)氫原子）。美國國家科學(xué)家基金會材料研究部的項(xiàng)目主任達(dá)里爾·赫斯說：“這些理論研究開啟了在實(shí)驗(yàn)室可得高壓下輕元素結(jié)合的大門，這在以前是沒有過的。它有可能會帶領(lǐng)人類發(fā)現(xiàn)新的材料，或者是物質(zhì)的新狀態(tài)。”
而這些發(fā)現(xiàn)有可能為能源領(lǐng)域帶來新的曙光。因?yàn)榻饘贇涫且环N亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)，可以用它來做成約束等離子體的“磁籠”，把熾熱的電離氣體“盛裝”起來。同時(shí)，金屬氫內(nèi)儲藏著巨大的能量，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很多倍。此外，用金屬氫輸電，可以完全擺脫對大型變電站的依賴，而輸電效率則可達(dá)99％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。
研究小組的成員說，從研究中所得信息可以看出，大量的氫原素可以與其他元素相結(jié)合。有朝一日，這些信息會幫助人們制造出更多金屬態(tài)的、以氫為基礎(chǔ)的超導(dǎo)體。從20世紀(jì)40年代開始，美、日等國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)。美國已研制成功了能產(chǎn)生100萬大氣壓的壓力機(jī)，日本研制成功了“分離球體式多級多活塞組合裝置”能產(chǎn)生200萬個(gè)大氣壓。近年來，日本等幾個(gè)國家宣布已在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研制成功了金屬氫，這是人類向金屬氫邁出了可喜的一步。
