我国科学家率先“看见”固体氢的最精细结构

  常温常压下，氢以气体状态存在。高压下，氢结晶为固体。而超高压下固体氢的原子排列方式一直是未解之谜。

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  14日，国际权威学术期刊《自然》发表一项重大突破：由中国科学家领衔的国际团队用X射线纳米探针首次“看见”固体氢的复杂晶体结构。这是目前世界上固体氢的最精细结构。

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  图为氢的结构示意图。（受访者供图）

  压力的升高，使氢的晶体结构趋于复杂。“气体氢的分子随机散落在空间中。随压力升高（5GPa），氢分子像跳棋子一样层层排列，形成固体氢。压力再升高（212-245GPa），一部分氢原子会形成蜂窝状排列，于是固体氢呈现更复杂的结构：跳棋子和蜂窝间隔着层层叠起。”论文第一作者、北京高压科学研究中心研究员吉诚说。

  北京高压科学研究中心的实验室里，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。（受访者供图）

  为什么要“看见”固体氢？“金属氢具有极高的能量密度，是氢核聚变的理想原料，应用潜力、战略意义巨大，被称为‘高压物理的圣杯’。想要找到金属氢，研究固体氢是必经之路。”高压物理学家、中科院外籍院士毛河光说。

  如果说金属氢是“圣杯”，那么高压下固体氢结构就好比“圣杯”的杯座。此次中国科学家率先“看到”精细结构的固体氢，恰处于气体氢变成固体氢之后、金属氢形成之前的高压状态。

  毛河光介绍，诺贝尔物理学奖得主维格纳等人1935年预测，氢在极高压下会变为金属氢。后有物理学家提出，让氢得以金属化的压力高达500GPa——这相当于一架停在针尖上的巨型喷气式飞机对针尖施加的力。

  北京高压科学研究中心的实验室里，已完成实验的破碎金刚石样品被编上号、贴上标签，保存起来。图为打开盒盖后已完成实验的部分破碎金刚石样品。（受访者供图）

  “观测金属氢难度极大，因为氢金属化所需的超高压条件极为苛刻。我们将两颗超锋利的金刚石尖对尖，挤压中间的氢分子。用高亮度的X光穿透金刚石照射在高压氢上，X光与高压氢相互作用，就好比给固体氢‘拍照片’，得以窥见原子如何排列。”吉诚说。

  “晶体结构的研究应是金属氢研究的核心。因为金属氢的奇异特性取决于其特殊的原子排列。”毛河光说，这一发现对理解金属氢的形成路径与机制提供了关键依据。（记者张漫子）