氣體有可能變成固體甚至金屬嗎,什麼條件下會發生相變?

2020-12-04 時空通訊

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在人們一般認識中,總認為氣態物質變不了固態,更不可能成為金屬,再怎麼壓縮也還是氣態。

其實這是一種錯誤認識,當壓力溫度到達一定幅度時,任何物質都會變態,也就是相變。

氣態能不能變成固態,關鍵看溫度和壓力到了沒到。

任何氣體轉固體只要溫度足夠低就能達到。如氧在-218°C就會凝固成固態,氮在-209.86℃成為固態,最輕的氫氣,只要溫度低於-259℃,就會轉化為固態。

但氦的熔點最低,為-272.2℃,因此氦需要達到-272.2℃以下才能夠成為固態。

低溫是物質從氣態或液態相變成固態的條件。但任何氣體都可以相變成金屬,這一點恐怕很多人就不清楚了。

氣體變為金屬非常困難,主要是需要極大的壓力。而要在地球上獲得如此大的壓力很難很難。

要知道地心壓力是地球上壓力最大的地方,也是目前是人類無法觸及的地方,那裡的壓力也只有360Gga,也就是360萬個海平面大氣壓。

目前地球上最熱門的氣體轉固體研究課題就是製造金屬氫。

氫是宇宙中豐度最大的元素,約佔可見宇宙總體積的90%,質量的75%。

所有的恆星和較大的氣態行星主要成分都是氫。

氫是宇宙中最輕的元素,密度最小,因此毫無疑問是「最氣體」的氣體了。

早在1935年,英國科學家貝納爾就預言,在高壓下,任何絕緣體都能夠變成導電金屬體,但不同材料轉變為金屬的壓力不同。

而金屬氫,是人們認為最難獲得的一種材料。

科學家們預測,製造出金屬氫可能需要25萬個大氣壓。但後來發現這點壓力遠遠不夠。

各國在實驗室裡面製造出了100萬個大氣壓、200萬個大氣壓,但金屬氫依然沒有出來。

由此人們把能夠製得金屬氫視為「科學界的聖杯」。

科學界為此前赴後繼的經過了80多年努力,經歷了無數次試驗。

終於在2017年1月,美國哈佛大學物理學家艾薩克·席維拉團隊宣稱製造出了第一塊金屬氫。這個成果刊登在2017年1月26日《科學》(Science)雜誌上。

製取的方法是將氫放在液態氦裡形成固態氫,然後將極少量溫度為-265℃固態氫放在金剛石的砧面,將兩個尖尖的金剛石對壓。當壓力高到495Gpa時,奇蹟出現了:原本黑色的固態氫變得有了金屬光澤,各種監測指標呈現出金屬氫性質。

這塊製得的金屬氫有多大呢?

從鑽石的砧面大小我們可窺一斑。兩個鑽石對壓的砧面直徑為50微米,將固態氫夾在兩個鑽石中間使勁壓,用紅外光測量氫的反射率,以判斷其是否金屬化。

當反射率達到0.91,砧面的氫出現了金屬光澤,壓力為495Gpa,也就是495萬個海平面大氣壓。

人的一根頭髮直徑約80微米,而這塊金屬氫只有50微米,你說有多大?

遺憾的是這塊金屬氫僅保持了一個月左右就消失了。

2月22日,當艾薩克團隊嘗試用低功能雷射器再次測量這塊寶貝的壓力時,他們聽到了極輕微的「卡嗒」聲,但這「輕微」對科學團隊來說是驚心動魄的。

響聲是一塊鑽石碎為齏粉時發出的,一切頃刻間就化為了烏有。艾薩克表述:我的心沉到了谷底。

由此,這塊金屬氫是不是存在過,變得頗有爭議。如果要證實這一點,就要重新做出一塊來,或者更大一些更好。

但說說容易,做起來何其難?要知道為做這一點點金屬氫,全世界科學家耗費了多少鑽石?

為啥大家熱衷於開發金屬氫呢?

因為金屬氫真正研發出來,將給人類文明帶來革命性的變化,其效應不亞於蒸汽機的發明。

首先,氫元素在宇宙中存在太多了,海水中可以大量提取。

其次,金屬氫的功能很多。

比如可以做成「磁籠」,對等離子體進行約束,為受控核聚變解決一個重要工具;

金屬氫有超導性能,製造發電機、磁懸浮提升的效率不是以倍算,而是數十倍數百倍;

用金屬氫輸電可以不要變電站,輸電效率達到99%以上,電力總量在不增加發電基礎上可提升25%;

作為燃料可以縮小體積,增強功率,對於發射火箭、用於航空、汽車動力都是最清潔高效的能源;

金屬氫內存儲著巨大能量,比TNT炸藥大40倍,在軍事上可以開發出許多新武器,製造的炸彈相當於核彈,卻毫無環境汙染。

金屬氫還有很多很多優勢,因此如果金屬氫走向了社會商業化產出,將大大推動人類文明進步。

近幾年,一些國家紛紛宣稱已經做出了金屬氫。

法國、英國都宣稱做出了金屬氫,其做法都與美國艾薩克團隊差不多,通過鑽石砧在巨大的壓力和低溫下進行的,這似乎已經成為一個標準。

但中國卻另闢蹊徑,宣稱通過通過高溫高壓製得了金屬氫。

《科技日報》的一則消息稱:

記者從中國科學院合肥物質科學研究院獲悉,該院固體物理研究所極端環境量子物質中心團隊在極端高溫高壓條件下成功獲得了氫和氘的金屬態。相關研究成果日前發表在國際重要學術刊物《先進科學》上。這是固體物理研究所量子中心研究團隊繼成功合成流體金屬氮之後,在輕質元素高壓研究上取得的又一重要突破。

這則消息發表於2019年12月2日。

這種方式似乎是模擬了木星環境來製造金屬氫。

但不管怎樣,金屬氫的「科學聖杯」依然存在。

現階段金屬氫試製還處於實驗室尖端開發過程,其花費的代價無法估量。要真正把金屬氫推上一個民用階段,看來還需要一個漫長的過程。

在地球上,金屬氫似乎是一個極其稀罕之物,但在太陽系就太多了。

除了幾個類地行星,也就是水星、金星、地球、火星,幾個巨大的氣態行星~木星、土星、天王星、海王星上,氫元素佔據了絕大部分。

太陽系最大行星~木星和土星,內部結構就是以液態氫、金屬氫為主。

木星半徑約71500公裡,從大氣層進入5000公裡深處,氣態氫就相變成為液態氫,那裡的溫度達到數千度,壓力達到100Gpa~200Gpa以上。在深入進去,壓力越來越大,溫度越來越高,液態氫向金屬氫相變。

到了25000公裡深處,溫度達到上萬℃,壓強達到400Gpa到數千Gpa,液態氫相變成金屬氫,一直到木星的核心。

木星核心質量約十幾個地球,半徑約1萬公裡,那裡的溫度高達4000Gpa,溫度達到30000℃以上。

由此可見,木星上的金屬氫厚度至少達到3~4萬多公裡,相當一兩百個地球質量。

土星比木星小一些,其結構也和木星差不多。研究預測,土星核心有一個半徑1萬公裡的巖石內核,上面包裹著5000公裡的冰層,冰層上面包裹著8000公裡厚的金屬氫,再上面就是液態氫。

這些星球雖然金屬氫泛濫,但卻似乎與人類無關,至少在可預見的未來,人類無法在木星土星上落腳。

如果到了有能力在木星上開採金屬氫的那一天,或許人類的科學水準早已經摒棄了用金屬氫的時代。

其實行星的這種壓力在宇宙中還是小巫見大巫,太陽中心壓力就達到3000萬Gpa,比太陽大很多的恆星,中心壓力也比太陽大很多。

而一切恆星中心壓力遠遠比不上白矮星、中子星的引力壓力了。

當太陽8倍質量以下的恆星死亡後,中心會坍縮成一個白矮星,這個白矮星只有地球大小,卻有太陽質量的0.5到1.4倍,上面的物質密度達到10噸/cm;

當一個太陽8倍以上40倍以下的大質量恆星死亡時,會發生超新星大爆炸,中心會坍縮出一個中子星,這個中子星質量達到太陽的1.44倍到 3倍,半徑卻只有10公裡左右。

任何物質,包括氣體等所有我們地球上認知的物質,在這兩種星球上都成了一種狀態。

這種狀態物質已經不能用氣態、液態、固態、等離態來形容了,也不是波色~愛因斯坦凝聚態或費米子凝聚態,完全超乎我們目前認知的所有物質形態,科學家們把它們叫做簡併態。

白矮星是電子簡併態物質,中子星為中子簡併態物質。

這兩種物質是遵循泡利不相容原理存在的物質。

泡利不相容原理認為,有一些粒子,如電子、中子、質子等具有排他性,它們不能佔據在同一個軌道位置,就像一群小孩玩耍,他們靠在一起就會推推搡搡,每個人都把身邊的孩子趕走。

因此白矮星、中子星是靠電子、粒子的微觀排斥力支撐著巨大的引力壓力。

這就是簡併壓。白矮星、中子星依靠這種壓力頂住引力壓力,使自己保持平衡狀態。質量一旦突破了某種臨界點,它們就會繼續坍縮。

研究認為,中子星的壓強有10^28地球大氣壓,也就是億億億Gpa,是地球地心壓強的30萬億億倍,太陽中心壓力的3億億倍。

在白矮星上,物質被壓縮成1立方釐米密度為10噸左右;中子星上1立方釐米密度為20億噸左右。

因此,氣體要變成固體並不難,難的是變成金屬。

到了一定低的溫度氣態就會變成固態,到了一定高壓一切都會相變成金屬態,而壓力更大就連金屬態也沒得做了,變成電子簡併態;電子簡併態達到錢德拉塞卡極限就會成為中子簡併態。

而中子簡併態到了奧本海默極限,就只有變成黑洞。黑洞是頂級天體,什麼態也沒有了。

錢德拉塞卡極限是1.44個太陽質量,奧本海默極限約3.2個太陽質量。

只不過在地球上,要製造特別巨大的壓力很難很難而已,因此要讓物質向更高層次相變就絕非易事。

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