中科院成功合成金属氢!喜摘“高压物理圣杯”,成诺奖有力争夺者

众所周知!世界上最著名的科技方面奖项就是诺贝尔奖,而诺贝尔奖(诺奖)一年选一次的奖金数视基金会的收入而定。最初的规模是11000英镑(31000美元)到30000英镑(72000美元)。由于通货膨胀和基金会的投资收益,奖金的数额每年都在增加,最初在3万美元左右,60年代为75000美元,70年代为220000美元,90年代到现在,每年都有1000万瑞典克朗(在2006年颁发奖状时大约145万美元)

金牌重量约270克,内含23 K金,直径约6.5厘米,正面有诺贝尔的浮雕图案。各种奖励、奖章的背面装饰不一样。每一个获奖证书的设计也各有特色。典礼隆重而朴素,最初每年出席者仅1,500至1,800人,现在约为2,000人。

到会的男士穿燕尾服或民族服装,女士穿晚装,并用白花和黄花在圣莫雷(意大利城市,诺贝尔逝世地)空运过来举行仪式,以表示对诺贝尔的敬意。但就我国具体情况而言,我国科学技术正在飞速发展,我国科学家也取得了许多了不起的成就。此前中科院突破的一项材料技术的突破,大有希望成为诺贝尔奖的最为有利的竞争者。

众所周知!早期武器的核心部分是火药,而现阶段来说,环三次甲基三硝胺(RDX)和 TNT及相关混合装药共同占据了爆炸物领域的半壁江山。但是人类对于炸药的进一步技术突破从来没有停止,以获取更加强大的武器。而现阶段以化学能为基础的含能材料已达到瓶颈,高能量密度炸药已成为新的研究方向。可能只有金属氢、全氮类物质和核同质异能素等高能量密度材料的标准才能达到。

而在此前,好消息传来,我国中科院合肥研究院固体所量子中心的研究人员在前期工作的基础上,以金刚石对顶砧装置为基础,结合脉冲激光加热技术,在实验室创造了可以模拟地核的极端温度压强条件,使氢气体成功转化为金属态。并且做出进一步的技术改进,一举斩获“高压物理圣杯”。那么这一“高压物理学界的圣杯”神在哪?

首先,氢气本身是一种能量巨大的燃料,在常温下是一种能在低温下变成液体的气体,当温度降到-259℃时,它就成了固体。在固体氢气上,如果有数百万个大气压的高压,就会变成金属氢气。在地球的自然状态中没有金属氢,所以人们广泛认为液体和固体中的金属氢是在木星和土星地核的高压和低温下才会出现的。可想而知这是多么稀有的材料。

金属氢更是一种高密度、高储存能力的物质,并且也可能具有高温超导性,它本身就储存着相当大的能量,这个数值理论上比普通的 TNT炸药要大30-40倍,这种威力单独用来做炸弹已经很厉害了,如果能用在战术型氢弹上,代替原来的核裂变材料,那么这种威力就更是不容小觑。

事实上,早在20世纪30年代,美国著名物理学家 E. P. Vigner和其他人就预言说,在一定的压力下,氢会呈现出金属特有的性质。由气体转变为金属,并不像状态变化那么简单。氢气在被“转换”后,也具有了令人难以置信的“超能”。因此,在科学界,人们称之为炸药中的“威力之王”。

从理论上预测,金属氢作为一种超高能物质,其能量密度为218 kJ/g,比 TNT炸药(4.65 kJ/g)高50倍,比奥托金 HMX (5.53 kJ/g)高40倍。换言之,金属氢的爆炸威力比现在的高能炸药大50倍以上,可以用来制造威力更大的炸药和发射器。

举例来说,早些时候,美国引进的密苏里号战列舰406毫米口径主炮,一枚高爆炸炮弹重达862千克,弹头内装药约70千克,如果将其替换为金属氢,相当于同样尺寸的弹头里装载了约3吨的高爆炸药,威力可想而知。

同时伴随着金属氢的突破,让新一代核武器迎来了发展机遇。因此被美方科研人员视为理想的制造“亚核”武器的材料。除常规武器外,金属氢还可以帮助人类发展新一代氢弹。现有的氢弹都是通过原子弹爆炸来引发核聚变,从而实现氢弹爆炸。由于这个原因,原子弹和氢弹都可能造成严重的核污染。若能大量制备出金属氢,并利用其爆炸的威力引发核聚变,那么这种新一代的氢弹爆炸后将十分“干净”。变相的提供了地球的“安全性”。

除军事用途外,当然,金属氢在民用领域也同样大有可为。金属氢作为常温超导体的理论预测结果。利用金属氢气制造导线,可避免输电损耗;利用氢气制造发电机,可大幅减少重量,增加输出功率;利用磁悬浮技术,可使超高速磁悬浮列车研究取得质的突破;而如果使用金属氢气,核磁共振装置可大大减少制造和使用维护费用,而且更加精确。

此外,金属氢的超高能量密度在航天领域应用广泛,如以金属氢作火箭燃料,理论比冲可达约为1700秒,几乎是目前氢氧发动机比冲可达最高能量密度的4倍,可轻松实现火箭单级入轨,带来空间发射能力的革命。

正是由于如此多的“超能力”,80多年来,全世界的研究者们都争先恐后地试图将这个预言变为现实。但是,虽然先后制作金属碘、金属硫等材料,但始终“跟不上”氢气,一直未能取得成功。这样,金属氢便逐渐有了“高压物理学界的圣杯”之名。

庆幸的是这一圣杯最终还是花落我国,让我们感到非常自豪。中科院是我国科研第一线,也是我国最重视的科研基地之一,近年来,中科院产生了无数的科研成果,推动了我国科研事业的发展和进步。那么,如此重要的研究突破,为何只有中科院突破呢?

要将氢转变成金属到底有多难呢?首先,我们要谈谈其制造工艺。'制造金属氢有几个环节,首先对氢施加压力,使其变成液体,然后再使其由液体变成固体。此前的专题采访中,中国科学院高能物理研究所研究员刘鹏告诉记者,“固体状态并不等于金属状态,只有具有导电特性的金属才能被称为氢。”

为了使固体氢能够导电,组成氢分子的化学键被打开,变成单个氢原子。用一个不太恰当的比喻来说,氢分子就像小朋友手拉着手围成一个圆圈,而打开化学键就是让他们松开手,变成一个单独的个体,即氢原子。因为大量电子在原子周围自由运动,当这些电子定向运动时,就会产生电流,也就是说,能导电。

自然地,化学键不会很容易打开,需要很大的外力的作用。根据 Silvara和他的博士后研究人员 RangaDias的说法,当他们进行实验时,他们将样本放置在一个高达495千兆帕斯卡(约等于488万个大气压)的压力下,而这个数值甚至超过了位于地球中心的压力值。而想要获取这一压力更是难中之难。

所以,现阶段,只有我国在新一代火药领域实现了多方面的突破,甚至连美国也不能稳定地合成氢气或纯氮气。中国在新一代火药领域的实力可以说是相当的全面领先世界,笑傲全球。未来,应用于高能战区,核武器的常规装药和高能固体推进剂。还将成为国家的一支核心威慑力量。我们的研究队伍不仅拿到了这个圣杯,而且还将在新材料领域掀起一股中国风,在金属氢这一科技领域,中国将引领一场划时代的变革。

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