理论教育 金属氢:探寻制造稳定能导电的诱惑

金属氢:探寻制造稳定能导电的诱惑

时间:2023-06-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:氢气在常温压下本是一种不导电的气体,卡内基研究所的人为何会想起制造能导电的金属氢能源呢?卡内基研究所的这两位科学家根据这一理论分析开始了实际实验。但制造金属氢有很大困难,可能需要经过几代人的努力才能取得突破性进展。目前,美、俄、日等国家都宣布用高压技术观察到了金属氢的现象。因此,尽管金属氢对人们有巨大的诱惑力,但要在常压下得到稳定的金属氢,还有许多难关要攻克。

金属氢:探寻制造稳定能导电的诱惑

1989年5月,美国华盛顿卡内基研究所的科研人员毛何匡(kuāg)和鲁塞尔·赫姆利宣布,他们用2250万个大气压力,把气体氢压成了固体氢,这种氢不仅密度高(据计算可达到0.562~0.8克/立方厘米),而且具有金属导电性,是一种储能密度极高的能源材料。这一消息振动了许多物理学家。

氢气在常温压下本是一种不导电的气体,卡内基研究所的人为何会想起制造能导电的金属氢能源呢?

原来,自50年代美国通用电气公司在实验室利用高温高压(2000℃,2万个大气压)将石墨变成金刚石之后,许多科学家对高压的神奇作用发生了浓厚的兴趣,尤其对氢在高压下的可能变化抱着异乎寻常的希望。

我们知道,在化学元素周期表中,氢和锂、钾、钢、钠、铯、钫都同属1A族元素。可是,在这个家庭中,其他成员都是金属,唯独氢不是。能不能用高压使气体氢变成固体氢和金属氢呢?他们先从理论上进行了分析,认为这是可能的。一是氢和锂、钾、钠等元素是同一族的元素,有“亲缘”关系,二是从金属的特性去分析的:金属在规则地排列的原子结构中存在着各个原子共享的自由运动的价电子。于是人们设想,如果给氢分子加上高压,就可能将只有两个氢原子的氢分子压垮,当高压达到某一个关键压力时,氢原子核周围仅有的一个电子就可能和邻近的氢原子核十分接近,而转变成为其他氢原子核共同占有的自由电子。这样,本来是绝缘体的氢就会因为有了共享的自由电子而变成可以导电的金属氢。

卡内基研究所的这两位科学家根据这一理论分析开始了实际实验。他们取来纯度很高的氢气,放在一个能承受极高压力的金刚石之间的密闭装置内,在零下196℃的低温下逐渐加压到250万个大气压。发现气态氢从透明状态逐渐变成为褐色,最后变成为有光泽的不透明固体,导电性也发生变化,由绝缘体逐渐变成半导体,进而变成了导电体。他们于1989年5月初在美国地球物理协会上报告这项实验结果。(www.daowen.com)

这项研究有两方面的重要意义。一是一旦能得到稳定的金属氢,人们就可以获得一种高能量密度的无污染的能源材料,二是金属氢的研究还有助于解决理论物理和天体物理中存在的一些长期得不到解决的问题。例如,天文学家在观察太阳系的木星和土星时发现,这两颗行星的主要成分可能是液态的金属氢。航空航天专家和一些行星学家非常希望了解,在多高的压力和温度下氢会变成金属,只要知道在什么条件下氢可以变成金属,人们就能了解行星上有多少氢是金属及其对行星导电性的影响。

金属氢是一种极有希望的能源材料,目前许多火箭中也使用液氢燃料,但液氢密度小(0.071克/厘米3),火箭燃料箱的体积就要做得大,火箭自身重量就要增加,如果用金属氢,因密度大,同样体积的氢释放的能量比液氢要大得多。

但制造金属氢有很大困难,可能需要经过几代人的努力才能取得突破性进展。目前,美、俄、日等国家都宣布用高压技术观察到了金属氢的现象。但在压力卸除后金属氢又变成了普通的氢气。因此,尽管金属氢对人们有巨大的诱惑力,但要在常压下得到稳定的金属氢,还有许多难关要攻克。

一些持乐观态度的科学家认为,这个问题总有一天会解决。因为石墨在高温高压下变成金石后,就能在常温常压下长期稳定地存在。因此,尽管困难重重,科学家们仍以坚韧不拔的毅力在从事金属氢的研究。

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