压力太大，氢会“方”吗

半月谈记者 张漫子

“压力太大，我方了”——人真的能变“方”吗?当然不至于。这句“网言网语”，形容的是网友在压力之下心情变化大，与日常判若两人。有谁愿意想一想，自然界中的元素，如果施以超强的高压，会发生怎样根本性的变化?

科学家就很想拿氢来试一试。这种宇宙中最轻、最简单也最古老、最丰富的元素，在元素周期表上有个略“尴尬”的位置——身在第一主族的它，身边的锂、钠、钾之类都是所谓碱金属，唯有它是非金属!氢就永远不可能成为金属吗?

90年前，著名物理学家维格纳曾预言，极高压下，固态氢可以呈现出金属的性质。后来有人算了一下，让氢金属化的压力得有500GPa(1GPa等于1万个大气压)——相当于一架停在针尖上的大型喷气式飞机对针尖施加的力。

高压之下，氢到底会不会“方”，彻底变成金属?最近，中国科学家发现了一点线索。

氢“变形记”

5月14日，《自然》发表了一项北京高压科学研究中心毛河光院士团队的重大成果：凭借一种极特殊的“显微镜”——X射线纳米探针，他们窥见了高压(212-245GPa)下固体氢复杂排列的形貌。

这是迄今人类发现的固体氢最精细的结构。虽然还未能一睹氢导电的实态，但新发现距离为金属氢“画像”无疑又近了一大步。

氢在高压下的结构转变，是一个引人入胜的过程。大家都知道，氢在常温常压下以气态存在，如果周遭压力上升，氢分子间的距离就会不断压缩。当压力达到一定程度时，氢分子就不能再自由“游荡”，而是被迫聚集在一起，形成液态氢。液态下的氢分子运动范围受到显著限制，但排布仍保持一定随机性，就像一群被迫挨近的舞者，虽然空间有限，仍试图踏出各自的舞步。

当压力继续增加，达到约5.5GPa时，液态氢开始转变为固态。这时，氢分子排布渐渐有序，一层层罗列如跳棋子。压力升高到约190GPa时，氢结构有了更妙的变化：一部分排列近于蜂窝状的氢原子，与作跳棋式排列的氢分子交叠在一起。

用论文第一作者、北京高压科学研究中心研究员吉诚的话来说，低压下的氢分子就像是自由散步的士兵，而高压下的固态氢则像是士兵开始列队，压力再高些，两军就要布阵对垒了。

什么因素导致了这样的变化?科学家告诉我们，这取决于原子间的相互作用力(范德华力)。不同压力作用下，范德华力发生变化，导致了氢原子排列方式的调整，从而形成我们观察到的不同结构。

那么，你也许会问，这么微妙的过程，科学家是怎么“看”到的呢?

要怎样“看”?

探测氢在高压下的结构转变，首先得有真正称得上“高压”的环境。科学家为此发明了一个“法宝”——金刚石对顶砧。

已完成实验并破碎的金刚石样品被编上号、贴上标签保存起来

简单说，这个设备是由两枚钻石组成的。将两颗超锋利的金刚石尖对尖放置，挤压封存在当中的氢分子。当高压氢的样品直径被压到仅有一根头发丝的1/10时，加诸其上的压力已高达数百个GPa。

高压的实现只是一瞬间的事，怎样在此等电光石火间“捕获”氢结构?

科学家请出同步辐射光源来帮忙。这个大装置能发出比太阳亮度还亮1万亿倍的光。当极亮的X光穿透金刚石照射在高压氢上，科学家就有可能窥见固体氢原子如何排列，“照片”也就拍下来了。

当然，这个过程无法一蹴而就。高压科学家在一代又一代的同步辐射光源上绞尽脑汁，一步一步刷新固态氢晶体结构的探测极限。从1988年的26.5GPa，到1996年的120GPa，再到2010年的180GPa，却始终难以突破200GPa的关卡。

终于在2019年，毛河光团队创造性地提出两种新探测技术，成功将氢的结构测量极限提升至250GPa，不过照片清晰度仍远远不够。经过近6年努力，而今他们终于捕获氢开始变“方”的珍贵证据，刷新人类对氢结构的认识。

“实际上，借助X射线探测有把握确认的是原子周围电子云的位置，还不能直接确定原子确切位置。”研究团队理论计算负责人、吉林大学物理学院副院长刘寒雨教授说，“我们必须配合基于分子动力学的理论计算，才能把握氢精确的晶体结构。”

向金属氢进发

金属氢，像喜马拉雅山那些巍峨山峰的峰巅，始终藏在极端条件的迷雾里。科学家求索高压下的固态氢，只因为他们相信，这条路能让金属氢“真相大白”。而金属氢，实在有太多令人激动的玄机。

金属氢的核心特征是导电性——当氢原子的电子在极端压力下摆脱共价键的束缚，展开一片自由移动的电子海洋时，它能够像金属般导电。

更令人兴奋的是，能导电的金属氢极可能是一种室温超导体——能够在零电阻的情况下导电。室温超导对人类生活意味着怎样的革命，在此不必赘述。试想，仅仅是“远程电力传输自由”一项，就能带来何等的产业革新?更不必说量子计算、磁约束可控核聚变等尖端科技由此可望获得的推动力。

从基础研究角度说，探明金属氢的存在，可能刷新我们对物质世界的认识。这样一种既是超导体又是超流体(可以反重力地由低处流向高处)的凝聚态材料，是此前的凝聚态物理理论很难想象的。其带来的震撼，可不止于“改写教科书”。

金属氢还将有望为人类理解宇宙增添一把钥匙。天文学家相信，木星和土星内部存在巨大的金属氢海洋。这些行星的磁场强度远超预期，正是金属氢导电产生的电流在驱动。通过研究金属氢，科学家不仅能验证行星内部的物理模型，还可能为恒星演化、星系形成等更宏大的宇宙学谜题找到新解答。

最简单的元素，却有最不可思议的变化。追寻金属氢，科学家念兹在兹的，是“物理”两个字本来的含义——物质世界最深层、最奇妙的道理。

编辑：范钟秀