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      一種合成金屬氫的新思路

      2015-06-27 15:50:11胡一凡
      科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年18期
      關(guān)鍵詞:共價鍵單質(zhì)高壓

      摘 要:文章介紹了金屬氫的研究意義、應(yīng)用前景與高壓試驗方法。簡明回顧了金屬氫的研究歷史與進展。提出了一種在傳統(tǒng)方法中引入化學(xué)方法的新思路。

      關(guān)鍵詞:合成金屬;氫;實驗方法

      1 概述

      氫是周期表的第一號元素,室溫常壓下其單質(zhì)為氣態(tài)的雙原子分子H2。使氫在極高壓下變成金屬的想法由來已久,1935年Wigner和Huntington從理論上證明金屬氫的存在的可能性,并預(yù)言在25GPa高壓下,氫分子組成的固態(tài)氫將轉(zhuǎn)變成呈現(xiàn)出金屬性質(zhì)的同素異形體金屬氫。[1]此后的實驗表明,對壓力的最初估計不足,使氫金屬化需要更高的壓力。

      金屬氫有重要的理論與應(yīng)用價值,在木星等天體中氫是主要成分,金屬氫也被認(rèn)為會存在于這些大質(zhì)量的行星內(nèi)部研究金屬氫的性質(zhì),對于了解和解釋它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和強磁現(xiàn)象是很重要的。Ashcrof曾提出金屬氫可能具有很高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度,是一種很理想的超導(dǎo)材料。金屬氫的高密度特點也使其成為一種理想的儲氫方式、高能燃料。因此如果能用人工的方法合成出金屬氫,將有特別重大的意義。

      2 金屬氫研究的歷史回顧

      2.1 實驗方法

      產(chǎn)生金屬氫的實驗方法是對H2施加高壓。壓縮H2的實驗技術(shù)分為動態(tài)壓縮法和靜態(tài)壓縮法,動態(tài)壓縮法以利用爆炸沖擊波產(chǎn)生的瞬間高壓和迅變高磁場產(chǎn)生的瞬間高壓為主,優(yōu)點是產(chǎn)生的壓力很高,但也有缺點,一是實驗費用昂貴,二是沖擊波壓縮以絕熱方法進行,大部分能量轉(zhuǎn)化為熱,使樣品溫度升得很高,這時很難說氫是固態(tài)還是等離子體。1962年英國劍橋大學(xué)的福勒就曾推測,在足夠的溫度和壓力下,分子氫可能會轉(zhuǎn)變成一種致密的等離子體,即離子化的氣體;三是由于其沖擊波壓力持續(xù)時間短,只有0.1~1.0μs,使許多深入的物理測量很難進行。

      因此現(xiàn)在更多采用的是靜態(tài)壓縮法中的金剛石壓砧(DAC)技術(shù),DAC技術(shù)的優(yōu)點是不僅可以持續(xù)產(chǎn)生高達(dá)300GPa的壓力,而且由于金剛石窗口可透過高能X射線、γ射線和低能紫外線、可見光、紅外線,因此通過它可以進行光吸收和反射、拉曼和布里淵散射、X 射線和中子衍射等各種物性測量和相變研究。DAC設(shè)備并不大,只是2塊金剛石靠在一起,中間有線度為幾十微米的空間放置固態(tài)氫。

      在上述的方法中,要求的壓力極高,現(xiàn)有技術(shù)條件下以至于樣品空間小、產(chǎn)量低,無法進入實用狀態(tài),因而迫切需要研究一些降低金屬氫轉(zhuǎn)變壓力的方法。1971年Gilman提出把氫置于介電常數(shù)較大的媒質(zhì)中(如常壓下穩(wěn)定的LiF),可以降低金屬氫轉(zhuǎn)變壓力,得到的LiH2F也可能具有超導(dǎo)性,且超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度相當(dāng)高。1983年,Carisson和Ashcroft提出添加雜質(zhì)或缺陷以降低價帶和導(dǎo)帶間的能隙,并提出用過渡族金屬元素最合適,另外用強光源照射(如激光或同步輻射光源)可以產(chǎn)生電子-空穴對,從而在固氫中產(chǎn)生負(fù)壓力,起到降低外壓效果。

      2.2 進展

      隨著超高壓技術(shù)的發(fā)展,已能在金剛石對頂砧(DAC)上產(chǎn)生250~300GPa的靜態(tài)壓力。1978年,美國卡內(nèi)基研究所地球物理實驗室毛河光等人在DAC上壓力達(dá)172GPa后,率先進行了該壓力范圍的物性測試。1988年毛河光等人取得了突破性進展,發(fā)現(xiàn)固體氫在150GPa壓力和77K低溫條件下發(fā)生相變,新相被稱為Ⅲ相或H2A 相。1989年,毛河光小組把壓力提高到250GPa,證明氫仍是分子態(tài),在250GPa以上,發(fā)現(xiàn)氫樣品變黑,成為不透明,氫分子是否拆鍵還有待證實。[2]

      3 新思路

      傳統(tǒng)方法一直試圖通過高壓使共價鍵斷裂,將氫分子解離成氫原子轉(zhuǎn)化為金屬氫?;瘜W(xué)反應(yīng)產(chǎn)生新物質(zhì)的本質(zhì)是舊化學(xué)鍵斷裂和新化學(xué)鍵形成的過程,但超高壓使化學(xué)鍵斷裂的效果并不好,即使在250GPa的壓力下,氫分子中的共價鍵也沒有斷裂。而這個問題興許可以通過引入化學(xué)方法巧妙的解決。

      高壓難以破壞的共價鍵,可以用簡單的化學(xué)反應(yīng)破壞。例如氫氣的不穩(wěn)定同素異形體三原子氫,就可用低壓放電管制備。[3]將高壓和電化學(xué)反應(yīng)結(jié)合起來,可能會產(chǎn)生新的突破。

      舊鍵斷裂必然伴隨著新鍵產(chǎn)生與新物質(zhì)的生成,用化學(xué)方法打破H2的共價鍵意味著氫元素也會參與反應(yīng),產(chǎn)生其他物質(zhì),所以除了H2產(chǎn)生三原子氫的反應(yīng)外,其他化學(xué)反應(yīng)似乎無法利用。但我們不妨逆向思維:不是把H2置于高壓下,而是把產(chǎn)生氫單質(zhì)H2的化學(xué)反應(yīng)置于高壓下進行,相當(dāng)于直接壓縮反應(yīng)中間體,繞開了使H2共價鍵斷裂的問題,在高壓下可能產(chǎn)生新的氫單質(zhì),例如金屬氫。

      3.1 化學(xué)方法

      將產(chǎn)氫的化學(xué)反應(yīng)置于高壓下進行,在高壓條件下產(chǎn)生的氫單質(zhì)可能不是氫氣H2,而是氫的其他同素異形體。可能利用的產(chǎn)氫反應(yīng)如碘化氫的分解、水的電解、酸與金屬的反應(yīng)等。

      3.2 電方法

      雖然250GPa的高壓也無法破壞H2的共價鍵,但低壓放電管中卻可以產(chǎn)生一種氫的同素異形體:H3。用里德伯光譜可直接測定H3的結(jié)構(gòu), 它的三個氫原子核排列成一個等邊三角形,這是一種極不穩(wěn)定的氫單質(zhì),存在時間極短。但可能對于合成金屬氫具有潛在價值。

      參考文獻

      [1]Wigner E, Huntington H B. J. Chem. Phys.,1935,3:764.

      [2]陳良辰.金屬氫研究新進展[J].物理,2004,33(4):261-265.

      [3]Naturwissenschaftliche Rundschau,1981.

      作者簡介:胡一凡(1991,5-),男,北京人,本科,研究方向:物理實驗。

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