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结构与动力学

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告诉我们你的金属

12 Oct 2017
摘自2017年10月号 物理世界

金属氢是宇宙中最稀有的金属之一,可以解决许多能源问题,但是最终在实验室中被隔离了吗? 乔恩·卡特赖特 尝试从反索赔中理清索赔

艾萨克·西维拉(Isaac Silvera)和兰加·迪亚斯(Ranga Dias)(左)在他们的实验室中的照片
在压力下:艾萨克·西尔维拉(Isaac Silvera)和兰加·迪亚斯(Ranga Dias)宣布他们的发现时面临难以置信的挑战

科学家不能幸免于稀有金属的诱惑。艾萨克·牛顿(Isaac Newton)对炼金术的兴趣有据可查:当自然哲学家没有为现代物理学的大部分奠定基础时,他常常暗中,痴迷于试图将铅变成金。如今,物理学家希望将一个不起眼的元素变成更珍贵的东西。

氢是所有原子中最轻的,更不用说是最丰富的原子,占整个宇宙正常物质的四分之三。众所周知,氢是一种分子气体–无色,无味,几乎无害,而且有人说它很无聊。但是据称,在极高的压力下,氢将变成宇宙中最稀有的金属之一,在地球上自然不存在这种金属,也许仅存在于诸如木星之类的天然气巨头的黑社会中。这种金属之所以令人垂涎,不仅因为它稀有,还因为它可能成为稳定的室温超导体,因此是解决世界能源问题的好方法。

一个多世纪以来,物理学家一直在寻找金属氢。然而,在过去的一年中,物理学家 艾萨克·西尔维拉(Isaac Silvera) 兰加·迪亚斯(Ranga Dias) (如上图所示)美国马萨诸塞州哈佛大学声称,他们终于做到了这一点,方法是将金刚石砧座内的氢气压缩到近500万个大气压。是真的吗?美国伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的理论家戴维•塞珀利(David Ceperley)说:“如果这是真的,那将是一项伟大的成就,它是对氢原子相的长期追求。” “但是,社区对他们的实验深表怀疑。”

早期搜索

使氢经受极端条件肯定不是什么新鲜事。英国科学家詹姆斯·杜瓦(James Dewar)正是在20世纪的风口浪尖,首先在不到14 K的温度下冷却氢直至变成固体。在此期间,化学家们还在考虑元素周期表中的位置。在适当的条件下,氢应位于碱金属柱的顶部,氢应本身形成金属。这些条件是由匈牙利出生的物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)和美国物理学家希拉德·贝尔·亨廷顿(Hillard Bell Huntington)于1935年首次计算的,他们预测在接近绝对零的温度和约250,000个大气压(25 GPa)的压力下,氢原子应该变成密密麻麻,以至于它们的电子云像金属一样重叠。

威格纳和亨廷顿在搜寻金属氢时已经发射了起始手枪,但他们的预测是乐观的。随着1950年代后期国家标准局(现为美国国家标准技术研究院,NIST)发明了金刚石砧室,高压突然变成了常规方法。到1970年代,它们达到了100 GPa,但是对于氢来说,没有金属过渡的迹象。

尽管如此,氢的相图仍可以更清晰地映射(图1)。该元件在高压和中等温度下始终是固体,但根据压力的高低会呈现不同的相。 I相是分子角无序的密排结构。第二阶段是相似的结构,但具有一定程度的取向顺序。据信第三阶段是一种结构,其中氢-氢键的强度变得如此微弱,以至于氢可以被认为部分是原子的,而不是分子的。在阶段IV中,一些证据表明一部分氢分子形成了平面的石墨烯状薄片。超越那些阶段?金属氢–可能。

Pressure vs temperature phase diagram of hydrogen

尽管所有这些阶段映射都在进行,但理论家一直在提出隔离可疑金属的奖励。在1960年代后期,美国纽约康奈尔大学的物理学家尼尔·阿什克罗夫特(Neil Ashcroft)预测,固体金属氢可能是高温超导体。在过去的十年中,其他理论家建议,这种超导体的临界温度可能高于室温,这与迄今为止已知的任何其他方法都不一样。

Silvera和其他人最近推测的另一种用途是该物质可以用作火箭燃料。根据他们的计算,固体金属氢的比冲(推进剂的标准量)将比传统上用来为火箭加油的液态氢和氧气的混合物大三倍半,从而使太空旅行更具野心。当然,要为燃料箱中的固体金属氢创造条件并非易事,但是苏联IVKurchatov莫斯科原子能研究所的物理学家在1970年代初的计算表明,固体金属氢实际上可能在室内处于亚稳态温度和压力:一旦产生,即使释放压力,它也将保持金属状态。

并不是说此类应用推动了Silvera对金属的追求。他说:“我一直对非常具有挑战性的问题感兴趣。” “在高压研究界,金属氢一直被认为是存在的最大挑战之一。”他从1970年代开始搜寻,当时是荷兰阿姆斯特丹大学的一位教授,尽管其他话题偶尔引起了他的注意-例如,1979年,他和他的阿姆斯特丹同事约克·沃尔拉文(Jook Walraven)将氢气变成了第一种量子气体,玻色-爱因斯坦冷凝物的前身-金属氢一直是他的思想之首。

对于该领域的大多数科学家而言,毫无疑问,该状态存在。确实,人们认为,较大的气体巨人(如木星)的高度压缩的核中的氢必须是金属的-尽管可能是液态的,而不是固态的形式-才能产生观察到的磁场。西尔维拉说:“每个人都认为,如果将氢气密度提高到足够高的水平,这意味着压力就足够大,它将变成金属。”但是,没有一个人能确定过渡的确切位置,并且加大寻找压力的难度并不容易。

钻石砧室由一对钻石打磨而成,这些钻石的尖端被打磨成一个小的尖尖的平底尖。氢气样品已在以气体或液体形式加载的容纳垫片内的两个尖顶之间压缩。但是,如果您将压力调得太高,钻石本身就容易失效。

但是,大约十年前,几个实验小组发现了将钻石砧座细胞内的氢压力从长期保持的最高200 GPa升高到接近400 GPa(高于地​​球中心)的方法,但这似乎是另一个高原。不幸的是,获得这些压力既是一门艺术,也是一门科学,因为并不总是清楚导致钻石破裂的原因。

实验室兴高采烈

近年来,他的研究生Silvera和Dias一直在研究施加更大压力的方法。他们发现缺陷是造成钻石过早失效的原因之一,他们用离子枪蚀刻掉了合成钻石的表面,以去除在底盘抛光过程中意外挖出的任何碳原子层。他们还养成了用氧化铝(在钻石是宝石时称为蓝宝石)涂层钻石的习惯,这应防止任何氢扩散并脆化。最后,他们避免使用激光进行任何连续照明来研究正在进行的实验,因为据信这是失败的诱因。 Silvera回忆说:“事实证明这很重要。”

The iPhone images of hydrogen at 在creasing pressures, showing transparent H2, opaque H2 和 reflective H2

因此,就是去年10月,在他办公室工作的时候,西尔维拉(Silda)被他兴奋的迪亚斯(Dias)门打断了,两人赶回实验室,博士后在较低温度下加大了他们最新实验室的压力。高于83K。通过光学显微镜观察,氢样品不再是亚光黑,而是具有金属光泽。 Silvera和Dias都知道这是什么意思,手无可奈,便用iPhone拍摄了样品的照片。 “人们经常问我,你怎么知道你是否有金属氢?”西尔维拉说。 “我会说:从实验室里传出的所有叫喊声和尖叫声。我整个团队都很兴奋。”

Silvera认为,有两种方法可以证明某种物质是金属的。首先是要证明其直流电导率会随着温度达到绝对零而保持有限–这种测量需要四根电导线与池内的显微样品保持接触,因为随着压力的升高,其体积减小了15倍。 。由于没有仪器可做,研究人员选择了第二种方法:交流电传导率,表现为反射率,可以通过合适的显微镜上的CMOS相机进行测量。研究人员在几个波长上对这些测量结果进行了拟合,建立了成熟的电导率Drude模型,研究人员发现电子载流子的密度与系统中原子的密度相同,这是金属的特征(科学 10.1126 / science.aal1579)。

庆祝活动可能比Silvera和Dias想要的时间短。减去激光,他们只能通过电池上的应变计间接估计氢气的压力:495 GPa,给出或取5-10%。他们知道,其他人则希望获得更可靠的阅读,尤其是考虑到该阅读次数远远超过大多数团体的报告。然后,暂定,哈佛大学对建立了一个半毫微弱的激光来读取数据。 “我们打开了激光器:其中一颗钻石掉了,”西尔维拉说。 “灾难性的-剩下的只有粉末,如面粉。”贵金属显然已经滑落了。

怀疑的反应

但是,许多其他实验学家认为,它根本不存在。英国爱丁堡大学的尤金·格里高利兹(Eugene Gregoryanz)一直是最有声望的批评家之一:在1到10的评分中,最怀疑的是10,他将自己排在11。他们报告了他们的发现,缺乏数据,并且认为Silvera和Dias细胞中的氢很可能在达到最高压力之前就已经逸出-如果确实达到了这样的压力,因为他怀疑所用钻石的尖端很小足以产生它们。他说,照片中明显的光泽是氢气离开后的gasket垫本身。这是他在自己的实验中目睹的现象。他补充说:“所谓的论文太糟糕了,没有什么可以讨论的。”

Photograph of a diamond anvil cell

除了Gregoryanz及其同事之外,还有其他三条评论 arXiv 该领域的其他实验小组对Silvera和Dias报告的各个方面提出了批评。这些评论不同地认为,哈佛小组的光学测量结果并不是金属过渡的确定证据。观察到的氢气可能被泄漏的rh污染;并且压力估计是原始的。在书面答复中,Silvia和Dias依次拒绝了每项索赔。 Silvera说:“我还没有听到对我们的实验有很好的身体异议。” “基本上(怀疑论者)是竞争对手,其中一些人确实是很好的科学家,并且多年来一直在尝试制造金属氢。他们不高兴看到别人这样做。”

“看,”他继续说道。 “如果您制造了金属氢,您是否会再等一年才能向世界展示您可以制造氢?还是在第一次制作后立即发布?我们决定立即出版,并继续进行研究。”

从历史的角度来看,西尔维达的决定可能被视为一场赌博。他和迪亚斯的说法并不是金属氢的第一个论点:2011年,德国美因兹马克斯-普朗克化学研究所的米哈伊尔·埃梅里茨和伊万·特洛扬认为,他们在220 GPa的压力下分离了该状态(大自然。 10.1038 / nmat3175)。然后,像现在一样,其他人对此表示怀疑,据报道,第二年,埃勒梅茨承认他希望他们的论文没有做出这样明确的声明。 (当联络人联络时,Eremets并未回应有关索偿的问题 物理世界。)甚至在此问题付印之时,美国华盛顿特区乔治华盛顿大学的罗素·汉姆利(Russell Hemley)及其同事的论文也被接受发表在该杂志上 体检信,谨慎地报告在适中的温度和接近300 GPa的压力下存在金属氢的证据。 Ceperley,Gregoryanz和西尔维拉(Silvera)也不相信。

重复是关键

每个人都同意的一点是,结果的再现是前进的唯一途径。 “据我所知,Dias和Silvera报告的单个实验尚未复制,”另一位哈佛实验家Bill Nellis说。他认为,即使在Silvera和Dias实验的低温下,样品中的氢与金刚石砧室中的碳之间也会发生化学反应。他解释说:“在这种情况下,观察到的反射率可能是由于形成了新的氢碳相,而不是由于单原子氢的电子带隙的闭合所致。”

Silvera认为需要更多结果。但是,尽管与牛顿的炼金术相去甚远,但即使采用了经过多年经验磨练的配方,该实验仍然没有最初看起来那样简单。 Silvera说,在最近的一次尝试中,不是最佳尺寸的钻石在破裂前达到了低于400 GPa的压力。同时,另一批10颗钻石在正常的退火过程中变黑-表明空气泄漏到退火室中-必须丢弃。 “这些钻石的价格为每颗1000-1500美元,”西尔维拉指出。在撰写本文时,另一批钻石已经抵达并正在准备中。如果这些工作奏效,那么可能会在几周内获得结果;如果没有,那将是几个月。

不用说,Silvera和其他人一样渴望拥有它们。他说:“只要不打电话,我都会进行实验。”

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