中科院成功合成金屬氫!喜摘「高壓物理聖杯」,成諾獎有力爭奪者

2021-01-08 騰訊網

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眾所周知!世界上最著名的科技方面獎項就是諾貝爾獎,而諾貝爾獎(諾獎)一年選一次的獎金數視基金會的收入而定。最初的規模是11000英鎊(31000美元)到30000英鎊(72000美元)。由於通貨膨脹和基金會的投資收益,獎金的數額每年都在增加,最初在3萬美元左右,60年代為75000美元,70年代為220000美元,90年代到現在,每年都有1000萬瑞典克朗(在2006年頒發獎狀時大約145萬美元)

金牌重量約270克,內含23 K金,直徑約6.5釐米,正面有諾貝爾的浮雕圖案。各種獎勵、獎章的背面裝飾不一樣。每一個獲獎證書的設計也各有特色。典禮隆重而樸素,最初每年出席者僅1,500至1,800人,現在約為2,000人。

到會的男士穿燕尾服或民族服裝,女士穿晚裝,並用白花和黃花在聖莫雷(義大利城市,諾貝爾逝世地)空運過來舉行儀式,以表示對諾貝爾的敬意。但就我國具體情況而言,我國科學技術正在飛速發展,我國科學家也取得了許多了不起的成就。此前中科院突破的一項材料技術的突破,大有希望成為諾貝爾獎的最為有利的競爭者。

眾所周知!早期武器的核心部分是火藥,而現階段來說,環三次甲基三硝胺(RDX)和 TNT及相關混合裝藥共同佔據了爆炸物領域的半壁江山。但是人類對於炸藥的進一步技術突破從來沒有停止,以獲取更加強大的武器。而現階段以化學能為基礎的含能材料已達到瓶頸,高能量密度炸藥已成為新的研究方向。可能只有金屬氫、全氮類物質和核同質異能素等高能量密度材料的標準才能達到。

而在此前,好消息傳來,我國中科院合肥研究院固體所量子中心的研究人員在前期工作的基礎上,以金剛石對頂砧裝置為基礎,結合脈衝雷射加熱技術,在實驗室創造了可以模擬地核的極端溫度壓強條件,使氫氣體成功轉化為金屬態。並且做出進一步的技術改進,一舉斬獲「高壓物理聖杯」。那麼這一「高壓物理學界的聖杯」神在哪?

首先,氫氣本身是一種能量巨大的燃料,在常溫下是一種能在低溫下變成液體的氣體,當溫度降到-259℃時,它就成了固體。在固體氫氣上,如果有數百萬個大氣壓的高壓,就會變成金屬氫氣。在地球的自然狀態中沒有金屬氫,所以人們廣泛認為液體和固體中的金屬氫是在木星和土星地核的高壓和低溫下才會出現的。可想而知這是多麼稀有的材料。

金屬氫更是一種高密度、高儲存能力的物質,並且也可能具有高溫超導性,它本身就儲存著相當大的能量,這個數值理論上比普通的 TNT炸藥要大30-40倍,這種威力單獨用來做炸彈已經很厲害了,如果能用在戰術型氫彈上,代替原來的核裂變材料,那麼這種威力就更是不容小覷。

事實上,早在20世紀30年代,美國著名物理學家 E. P. Vigner和其他人就預言說,在一定的壓力下,氫會呈現出金屬特有的性質。由氣體轉變為金屬,並不像狀態變化那麼簡單。氫氣在被「轉換」後,也具有了令人難以置信的「超能」。因此,在科學界,人們稱之為炸藥中的「威力之王」。

從理論上預測,金屬氫作為一種超高能物質,其能量密度為218 kJ/g,比 TNT炸藥(4.65 kJ/g)高50倍,比奧託金 HMX (5.53 kJ/g)高40倍。換言之,金屬氫的爆炸威力比現在的高能炸藥大50倍以上,可以用來製造威力更大的炸藥和發射器。

舉例來說,早些時候,美國引進的密蘇裡號戰列艦406毫米口徑主炮,一枚高爆炸炮彈重達862千克,彈頭內裝藥約70千克,如果將其替換為金屬氫,相當於同樣尺寸的彈頭裡裝載了約3噸的高爆炸藥,威力可想而知。

同時伴隨著金屬氫的突破,讓新一代核武器迎來了發展機遇。因此被美方科研人員視為理想的製造「亞核」武器的材料。除常規武器外,金屬氫還可以幫助人類發展新一代氫彈。現有的氫彈都是通過原子彈爆炸來引發核聚變,從而實現氫彈爆炸。由於這個原因,原子彈和氫彈都可能造成嚴重的核汙染。若能大量製備出金屬氫,並利用其爆炸的威力引發核聚變,那麼這種新一代的氫彈爆炸後將十分「乾淨」。變相的提供了地球的「安全性」。

除軍事用途外,當然,金屬氫在民用領域也同樣大有可為。金屬氫作為常溫超導體的理論預測結果。利用金屬氫氣製造導線,可避免輸電損耗;利用氫氣製造發電機,可大幅減少重量,增加輸出功率;利用磁懸浮技術,可使超高速磁懸浮列車研究取得質的突破;而如果使用金屬氫氣,核磁共振裝置可大大減少製造和使用維護費用,而且更加精確。

此外,金屬氫的超高能量密度在航天領域應用廣泛,如以金屬氫作火箭燃料,理論比衝可達約為1700秒,幾乎是目前氫氧發動機比衝可達最高能量密度的4倍,可輕鬆實現火箭單級入軌,帶來空間發射能力的革命。

正是由於如此多的「超能力」,80多年來,全世界的研究者們都爭先恐後地試圖將這個預言變為現實。但是,雖然先後製作金屬碘、金屬硫等材料,但始終「跟不上」氫氣,一直未能取得成功。這樣,金屬氫便逐漸有了「高壓物理學界的聖杯」之名。

慶幸的是這一聖杯最終還是花落我國,讓我們感到非常自豪。中科院是我國科研第一線,也是我國最重視的科研基地之一,近年來,中科院產生了無數的科研成果,推動了我國科研事業的發展和進步。那麼,如此重要的研究突破,為何只有中科院突破呢?

要將氫轉變成金屬到底有多難呢?首先,我們要談談其製造工藝。"製造金屬氫有幾個環節,首先對氫施加壓力,使其變成液體,然後再使其由液體變成固體。此前的專題採訪中,中國科學院高能物理研究所研究員劉鵬告訴記者,「固體狀態並不等於金屬狀態,只有具有導電特性的金屬才能被稱為氫。」

為了使固體氫能夠導電,組成氫分子的化學鍵被打開,變成單個氫原子。用一個不太恰當的比喻來說,氫分子就像小朋友手拉著手圍成一個圓圈,而打開化學鍵就是讓他們鬆開手,變成一個單獨的個體,即氫原子。因為大量電子在原子周圍自由運動,當這些電子定向運動時,就會產生電流,也就是說,能導電。

自然地,化學鍵不會很容易打開,需要很大的外力的作用。根據 Silvara和他的博士後研究人員 RangaDias的說法,當他們進行實驗時,他們將樣本放置在一個高達495千兆帕斯卡(約等於488萬個大氣壓)的壓力下,而這個數值甚至超過了位於地球中心的壓力值。而想要獲取這一壓力更是難中之難。

所以,現階段,只有我國在新一代火藥領域實現了多方面的突破,甚至連美國也不能穩定地合成氫氣或純氮氣。中國在新一代火藥領域的實力可以說是相當的全面領先世界,笑傲全球。未來,應用於高能戰區,核武器的常規裝藥和高能固體推進劑。還將成為國家的一支核心威懾力量。我們的研究隊伍不僅拿到了這個聖杯,而且還將在新材料領域掀起一股中國風,在金屬氫這一科技領域,中國將引領一場劃時代的變革。

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