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氢气也能“点气成金”

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发表于 2019-11-9 02:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
在美国国家点火装置(NIF)实行室中,小小测试室里的氢样品正蒙受着巨大的压力。压力是云云巨大,以至于氢气改变了状态,变成了液体。不外,这才只是开始,在压力渐渐变得更大时,小液滴还要履历一系列的变革。
氢是宇宙中含量最多的元素,木星和土星等气体行星的紧张构成因素就是氢,不外在行星内部,氢的存在情势并不是气态的,而是金属氢。因此,小小的氢液滴的变革可以告诉我们许多关于木星和土星等行星的情况。同时,固态的金属氢将会是一种神奇的未来质料,它可以作为燃料,让航天器飞得更远;还可以作为超导体,让电流毫无阻力地运动。
简单物质的多种状态
氢有三种同位素:氕、氘、氚,自然界中99.985%的氢为氕,它有着天下上最简单的原子结构,一个质子外围绕着一个电子。别的,氘的原子核由一个质子和一个中子构成,在大自然中的含量一样平常约为全部氢元素的七千分之一。而氚的原子核由一个质子和两个中子构成,它具有放射性,在自然界存在少少。在实行室里,还可以用人工方法合成氢的别的4种同位素:氢4、氢5、氢6、氢7。
在我们的自然界中,氢紧张以氢气的情势存在,它由两个原子连合在一起,形成一个分子。不外,随着压力和温度的改变,原子的密度和排布都会改变,因此氢实际上有多种状态。在常压下当温度低落到-252.88℃时,氢就会成为液体,再低落到-259.125℃时,氢就会变为固体。
但是在高温下,随着压力增长,氢气会先变成清亮的液态氢,此时分子可以自由地运动;再变成一种不透明的液态氢,此时液体内部既有分子也有原子;末了分子键完全断裂,变成一种由原子构成的液态金属氢气。末了随着压力增大,氢原子核整洁分列在一起,电子可以自由地移动,此时为固态金属氢状态。
如今,研究职员的重点在于液态和固态的金属氢。2018年8月,美国NIF实行室的研究职员找到了将氘变化为金属情势的精确方法,条件为726.85℃以上的温度和200万大气压力。只管实行室中的液态金属氢非常不稳固,但是可以让研究职员相识一些液态金属氢的性子,好比液态金属氢是否是一种超流体液体。
假如液态金属氢是超流体液体,它将对科学家明白气体行星内部的运动模式和外部磁场情况起到至关紧张的作用。据天文学家推测,木星和土星等气体行星的内部存在着液态金属的海洋,这些巨行星的80%是由液态金属氢构成的,而不是单纯的气体。在超流体液体中,粒子运动不会碰到任何阻力,一旦液体开始运动,便可以无穷地运动下去,这很大概是木星具有剧烈磁场的缘故原由。
探求固态金属氢
制造固态金属氢的蹊径固然任重道远,但是一旦乐成,就将带来金属氢研究范畴的庞大飞跃。
固态金属氢的研究始于1935年,其时美国物理学家尤金·威格纳和希拉德·亨廷顿推测,在超大的压力下,氢气可以转化为具有金属性子的固体物质,而且原子结构要紧凑10倍。同时固态物质一旦产生,纵然在常压下也能保持其状态和金属性子,就好比钻石一样。钻石由碳在地球内部的高压和高温下形成,当钻石从地下被开采出来时,它仍能保持紧凑的原子结构,而不是膨胀成石墨。
科学家最靠近乐成的一次是在2017年,美国哈佛大学的科学家在极低的温度下,使用金刚石对顶砧(由相对的两颗金刚石和密封垫构成,样品置于金刚石和密封垫中央)对氢样品施加了495万倍的大气压力(地核压力为大气压的360倍左右)。随着压力的渐渐加大,氢从一种不能导电的透明绝缘体转变成一种玄色半导体,末了转变成一种光泽刺眼的金属固体。此时,氢原子之间的作用力转化为金属键,氢核外的电子摆脱了束缚,原子核共享一群电子。
令人遗憾的是,这颗天下上唯一的金属氢存在仅一个月左右就消散了。固态金属氢天生后便不停被生存在金刚石对顶砧中,在样品被送往美国阿贡国家实行室之前,研究职员想使用激光末了测试一遍压力,结果造成金刚石破碎,固态金属氢样品就如许掺杂在金刚石的碎屑中,找不到了。如今科学家们不停在改进和重复该实行。
未来的技能革命
本日,许多火箭都是由液氢(在一个尺度大气压,温度为-253℃的条件下,液化制备而成)驱动的,假如我们使用固态金属氢作为燃料,当它燃烧时,会先从固态转化为氢气,此时,固态金属氢变成氢气时的能量都将被开释出来,然后再燃烧。因此,与液氢燃料相比,这种超等金属可以大概产生更大的能量。研究职员推测,固态金属氢的服从是液氢的3.7倍。
今世火箭每每要在太空中飞行很长一段时间,因此必要许多燃料,为此必要装备有巨大的燃料箱,火箭每每很大。一旦固态金属氢研制乐成,未来的火箭可以变得更轻巧更高效,大大低落太空飞行的难度和本钱。
除了作为燃料,固态金属氢的另一紧张应用是作为超导体。如今的超导体必须用液氮冷却到-269℃才气保持极低的电阻率,这既昂贵又必要能量。然而根据理论推测,固态金属氢是一种室温下的超导体,电阻率为0。这大概为一场技能性革命铺平蹊径,我们可以未来自绿色能源的电储存在由固态金属氢构成的大型超导线圈中,由于电阻率完全为0,电流在此中运动不会斲丧任何能量,可以不停运动下去。
固然研制固体金属氢、并实现商业量产化的蹊径看上去还很长,但每个新技能的开始都是困难的。随着近几年该范畴的突破,信赖我们很快就能在室温下看到氢金属块了。

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