半月談記者 張漫子

“壓力太大，我方了”——人真的能變“方”嗎?當然不至于。這句“網言網語”，形容的是網友在壓力之下心情變化大，與日常判若兩人。有誰愿意想一想，自然界中的元素，如果施以超強的高壓，會發生怎樣根本性的變化?

科學家就很想拿氫來試一試。這種宇宙中最輕、最簡單也最古老、最豐富的元素，在元素周期表上有個略“尷尬”的位置——身在第一主族的它，身邊的鋰、鈉、鉀之類都是所謂堿金屬，唯有它是非金屬!氫就永遠不可能成為金屬嗎?

90年前，著名物理學家維格納曾預言，極高壓下，固態氫可以呈現出金屬的性質。后來有人算了一下，讓氫金屬化的壓力得有500GPa(1GPa等于1萬個大氣壓)——相當于一架停在針尖上的大型噴氣式飛機對針尖施加的力。

高壓之下，氫到底會不會“方”，徹底變成金屬?最近，中國科學家發現了一點線索。

氫“變形記”

5月14日，《自然》發表了一項北京高壓科學研究中心毛河光院士團隊的重大成果：憑借一種極特殊的“顯微鏡”——X射線納米探針，他們窺見了高壓(212-245GPa)下固體氫復雜排列的形貌。

這是迄今人類發現的固體氫最精細的結構。雖然還未能一睹氫導電的實態，但新發現距離為金屬氫“畫像”無疑又近了一大步。

氫在高壓下的結構轉變，是一個引人入勝的過程。大家都知道，氫在常溫常壓下以氣態存在，如果周遭壓力上升，氫分子間的距離就會不斷壓縮。當壓力達到一定程度時，氫分子就不能再自由“游蕩”，而是被迫聚集在一起，形成液態氫。液態下的氫分子運動范圍受到顯著限制，但排布仍保持一定隨機性，就像一群被迫挨近的舞者，雖然空間有限，仍試圖踏出各自的舞步。

當壓力繼續增加，達到約5.5GPa時，液態氫開始轉變為固態。這時，氫分子排布漸漸有序，一層層羅列如跳棋子。壓力升高到約190GPa時，氫結構有了更妙的變化：一部分排列近于蜂窩狀的氫原子，與作跳棋式排列的氫分子交疊在一起。

用論文第一作者、北京高壓科學研究中心研究員吉誠的話來說，低壓下的氫分子就像是自由散步的士兵，而高壓下的固態氫則像是士兵開始列隊，壓力再高些，兩軍就要布陣對壘了。

什么因素導致了這樣的變化?科學家告訴我們，這取決于原子間的相互作用力(范德華力)。不同壓力作用下，范德華力發生變化，導致了氫原子排列方式的調整，從而形成我們觀察到的不同結構。

那么，你也許會問，這么微妙的過程，科學家是怎么“看”到的呢?

要怎樣“看”?

探測氫在高壓下的結構轉變，首先得有真正稱得上“高壓”的環境。科學家為此發明了一個“法寶”——金剛石對頂砧。

已完成實驗并破碎的金剛石樣品被編上號、貼上標簽保存起來

簡單說，這個設備是由兩枚鉆石組成的。將兩顆超鋒利的金剛石尖對尖放置，擠壓封存在當中的氫分子。當高壓氫的樣品直徑被壓到僅有一根頭發絲的1/10時，加諸其上的壓力已高達數百個GPa。

高壓的實現只是一瞬間的事，怎樣在此等電光石火間“捕獲”氫結構?

科學家請出同步輻射光源來幫忙。這個大裝置能發出比太陽亮度還亮1萬億倍的光。當極亮的X光穿透金剛石照射在高壓氫上，科學家就有可能窺見固體氫原子如何排列，“照片”也就拍下來了。

當然，這個過程無法一蹴而就。高壓科學家在一代又一代的同步輻射光源上絞盡腦汁，一步一步刷新固態氫晶體結構的探測極限。從1988年的26.5GPa，到1996年的120GPa，再到2010年的180GPa，卻始終難以突破200GPa的關卡。

終于在2019年，毛河光團隊創造性地提出兩種新探測技術，成功將氫的結構測量極限提升至250GPa，不過照片清晰度仍遠遠不夠。經過近6年努力，而今他們終于捕獲氫開始變“方”的珍貴證據，刷新人類對氫結構的認識。

“實際上，借助X射線探測有把握確認的是原子周圍電子云的位置，還不能直接確定原子確切位置。”研究團隊理論計算負責人、吉林大學物理學院副院長劉寒雨教授說，“我們必須配合基于分子動力學的理論計算，才能把握氫精確的晶體結構。”

向金屬氫進發

金屬氫，像喜馬拉雅山那些巍峨山峰的峰巔，始終藏在極端條件的迷霧里。科學家求索高壓下的固態氫，只因為他們相信，這條路能讓金屬氫“真相大白”。而金屬氫，實在有太多令人激動的玄機。

金屬氫的核心特征是導電性——當氫原子的電子在極端壓力下擺脫共價鍵的束縛，展開一片自由移動的電子海洋時，它能夠像金屬般導電。

更令人興奮的是，能導電的金屬氫極可能是一種室溫超導體——能夠在零電阻的情況下導電。室溫超導對人類生活意味著怎樣的革命，在此不必贅述。試想，僅僅是“遠程電力傳輸自由”一項，就能帶來何等的產業革新?更不必說量子計算、磁約束可控核聚變等尖端科技由此可望獲得的推動力。

從基礎研究角度說，探明金屬氫的存在，可能刷新我們對物質世界的認識。這樣一種既是超導體又是超流體(可以反重力地由低處流向高處)的凝聚態材料，是此前的凝聚態物理理論很難想象的。其帶來的震撼，可不止于“改寫教科書”。

金屬氫還將有望為人類理解宇宙增添一把鑰匙。天文學家相信，木星和土星內部存在巨大的金屬氫海洋。這些行星的磁場強度遠超預期，正是金屬氫導電產生的電流在驅動。通過研究金屬氫，科學家不僅能驗證行星內部的物理模型，還可能為恒星演化、星系形成等更宏大的宇宙學謎題找到新解答。

最簡單的元素，卻有最不可思議的變化。追尋金屬氫，科學家念茲在茲的，是“物理”兩個字本來的含義——物質世界最深層、最奇妙的道理。

編輯：范鐘秀