高能的金屬氫,威力比TNT大幾十倍,造它要用鑽石
2020-11-25 網易軍事近日，中國科學院合肥物質科學研究院宣布成功在高溫高壓下獲得了金屬氫和氚，並且將成果發表。
金屬氫被譽為「高壓物理的聖杯」，我們知道氫是最輕的元素，每立方米氫氣重量只有不到90克，水的密度比它大9000多倍。
但是1立方釐米金屬氫卻有1克重，和氫氣密度差好多個數量級。
要把氫氣從氣體態變成金屬態，說起來很簡單，就是加壓，但是卻又一點也不簡單，需要很高很高的壓力。
上世紀30年代兩位諾貝爾獎得主預測這個壓力大約是25Gpa，也就是25000000000帕，但是事實表明，這個估算還是差得太遠，科學家們現在給出的答案是需要500Gpa的壓力，是最初估算的20倍，而地核中心的壓力才360Gpa。
作為對比，TNT炸藥爆炸產生的壓力相當於10萬個大氣壓，只有10Gpa多，所以可想而知想要製備金屬氫是一件多麼困難的事情。
目前人類所能製造最高壓力的手段無疑是核爆，據測算核爆中心最高能達到數十甚至數百億個大氣壓，但是這種毀滅性的高壓並沒有什麼用，任何物質在核爆中心都會化為氣體。
金屬氫在自然狀態下，可能存在於一些氣態行星的核心，如木星和土星，只有在這樣巨大的行星內部才能有如此高的壓力。
在實驗室製造金屬氫，就需要一種靜態下產生高壓的儀器，這就是金剛石對頂砧，它是一對經過精心切割和打磨的金剛石，兩個尖端在高壓下互相擠壓，最終能產生400Gpa的壓力，氫原子在這樣巨大的壓力下發生相變，成為氫元素的簡併態物質，質子和電子組成液態的系統，也就是液態金屬氫，假如質子形成晶體結構，這就成了固態的金屬氫。
金剛石對頂砧的示意圖
金屬氫可以在常態下保持亞穩定，也就是說，當氫氣在超高壓下發生相變變成金屬態後，壓力恢復正常，它仍會保持金屬態。就如同石墨在高壓下變成金剛石，在常態時不會再轉變回石墨。
這一點意義十分重大，因為金屬氫具有很多奇異的特性。
首先，它是一種高能物質。
金屬氫的能量密度是常規物質裡最高的，是TNT炸藥的35倍，不僅如此，金屬氫的爆速也達到15000米/秒，以威力著稱的猛炸藥黑索金的爆速只有8750米/秒，可見金屬氫的能量密度和猛度都舉世無匹，即便是有「現實版N2爆彈」之稱的全氮陰離子鹽，在威力上也遠遠不及金屬氫。
EVA中的N2爆彈，是一種虛構的威力媲美原子彈的武器
同時金屬氫也是絕佳的火箭燃料，比衝超過1700秒，目前固體推進劑的比衝為290秒，液體推進劑比衝能到453秒，假如火箭使用金屬氫做推進劑，就可以實現單級火箭入軌這種科幻電影裡才能出現的場景。
第二，金屬氫具有高溫下的超導特性。
據研究，金屬氫的超導溫度大於160K，有望超過乾冰溫度195K，科學家們希望可以利用它最終實現室溫下的超導，如果成功，無疑是人類文明的又一次飛躍。
不過現階段在實驗室裡製備金屬氫，只是萬裡長徵邁出了第一步，離它的實用化還遠得很。
因為實驗室製造的金屬氫量太小了，甚至用先進的儀器也很難觀測到，大批量製造金屬氫，相信會是工程學上的一個大難題。
這裡要說一下金剛石對頂對頂砧這種設備，它其實體積很小，基本一隻手就能提起來。
其核心最關鍵的原件就是承受壓力的兩顆金剛石，雖然它並不是像某些文章說的需要用高純度和完美切工的鑽石，實際上使用的是人造鑽石，不過成本也是相當高。
尤其金剛石還是一種耗材，因為在超高壓力下，氫會滲入鑽石表面產生「氫碎」。之前有媒體採訪國內某個金屬氫課題小組，他們做了100組實驗，耗費的鑽石就有幾百顆，估計成本也不是一個小數目。
但是科學就是如此，剛剛起步的時候總是萬分艱難，比如在19世紀早期，鋁的製造成本高到逆天，它甚至比黃金還貴，但是當電解鋁的工藝出現後，鋁就變成了一種廉價的金屬，畢竟在地殼中鋁是含量最多的金屬。
氫元素在地球的含量也極為豐富，電解水就可以獲得氫氣，假如將來金屬氫的製造也像鋁一樣變得廉價簡單，對世界的影響將無可估量——當然我們希望它最好別用在軍事上。
相關焦點
-
科學家提取金屬氫:爆炸威力是TNT炸藥50倍
近日，哈佛科學家給出了一個有趣的研究，利用金剛石對頂砧容器技術（DAC）在495GPa下獲得了金屬氫。氫原子在高壓狀態下呈現金屬電性結合的金屬氫物質，而作為高能含能物，其能量密度高達218kJ/g，是TNT炸藥（4.65kJ/g）的約50倍，是綜合性能最好的奧託金HMX炸藥（5.53kJ/g）的約40倍。 -
比TNT強40倍!法國科學家將氫氣變成了金屬氫,還是一種超導體
所以當壓力達到一定強度後，就算是空氣也會變固體，甚至還能變成金屬，比如氫氣就能變成「金屬氫」。可能很多人覺得這太不可能，不過這是事實，在2017年，哈佛大學研究人員稱，當給氫氣施加上百萬個大氣壓後，氫氣變成了固體-「金屬氫」，一種完美超導體，一種比普通TNT炸藥能量還強40倍的罕見固體。然而一個月後研究人員稱，由於失誤操作，他們製造出來的金屬氫樣品被毀了。 -
尋找威力更猛的炸藥
正是這些需求，推動著世界各國的科學家去尋找新一代「極具破壞性的高能材料」，它的爆炸威力要超過以往任何一種炸藥。不可思議的「魯伯特王子之淚」我們先來看一個蝌蚪形的玻璃玩意兒。它的頭部是一顆水滴形的玻璃球，後面拖著一條長長的、彎彎繞的尾巴。 -
金屬氫短暫的一生
為什麼我們如此費盡心血地來研製金屬氫呢？因為一旦金屬氫問世，就如同當年蒸汽機的誕生一樣，將會引起整個科學技術領域一場劃時代的革命。金屬氫是一種亞穩態物質，可以用它來做成約束等離子體的「磁籠」，把熾熱的電離氣體「盛裝」起來，這樣，受控核聚變反應使原子核能轉變成了電能，而這種電能將是廉價而又乾淨的，我們就能方便地建造起一座座「模仿太陽的工廠」，人類將最終解決能源問題。 -
金屬氫有什麼用?3000K、150GPa下流動的金屬
氫，是元素周期表的第1號元素，它構成世界上最小的原子，似乎生來就不同凡響。16世紀時發現氫氣的過程在現在看來，只是一堂最基礎的中學化學實驗課。氫一直在為人類默默地奉獻，它是一種重要的工業原料，現在全世界工業生產的氫氣大約有三分之二用於合成氨工業；氫氣在氧氣中燃燒的火焰溫度可以達到3000℃，通常用來熔融和切割金屬材料；氫的同位素氘和氚可以製造氫彈。不僅如此，氫的特性完全符合今天人們對綠色、高能燃料的要求：容易製得，蘊含大量的能量，反應產物是水。 -
金屬氫,氫現在是一種金屬!
在去年9月份，兩個研究嘗試用不同的方法，試圖創造金屬氫。 -
通古斯大爆炸：威力相當於2000萬噸TNT，是隕石還是武器？
據當時的估計這次的爆炸的威力相當於兩千萬噸的tnt炸藥，超過2120平方公裡的八千萬棵樹受到焚毀而倒下，幸好當地極度的地廣人稀，傷亡不大。tnt當量，造成的累計死亡人數達到三十二萬人以上，而被投放長崎的"胖子"原子彈則威力更大，相當於兩萬噸tnt當量，雖然長崎多山，傷亡沒有廣島那麼大，但在當時也有約四萬人直接死於核爆。 -
巖漿中的巨大能量——流體金屬氫
氫，是元素周期表中位於第一位的元素，好像天生就有不同尋常的地位。這個自然界中最小的原子，具有怎樣不同尋常的「大神通」呢？我們帶大家走進氫的世界，回顧氫的前世今生，展望氫的未來。在十六世紀氫氣的發現過程中，氫似乎就具有不一般的特性：「把鐵屑投到硫酸裡，就會產生氣泡，像旋風一樣騰空而起」。英國化學家卡文迪什發現，如果把它和空氣混合在一起，一遇火星就會爆炸。1787年，法國化學家拉瓦錫正式提出「氫」是一種元素，因為氫燃燒後的產物是水，便用拉丁文把它命名為「水的生成者—Hydrogenium」。 -
這就是固態金屬氫 如鑽石
據國外媒體報導，英國愛丁堡大學科學家近日利用鑽石對頂砧製造出某種極端高壓狀態，從而生成「第五狀態氫」，即氫的固體金屬狀態。這是一種新的物質形態，這種狀態的氫通常存在於大型行星或太陽內核之中，分子分離成單原子，電子的行為特徵像金屬電子一樣。 -
21噸TNT爆炸威力有多大?
第二次爆炸在30秒種後，近震震級ML約2.9級，相當於21噸TNT，具體威力相當於53枚戰斧巡航飛彈一起轟炸。究竟21噸TNT炸藥有多大的破壞力呢？首先必須要對TNT 炸藥有所了解。三硝基甲苯，是一種帶苯環的有機化合物，熔點為81攝氏度。它帶有爆炸性，常用來製造炸藥，又名TNT。由於威力大，TNT常用來做副起爆藥，爆炸後呈負氧平衡，會產生有毒氣體。 -
法國科學家發現「金屬氫」
85年前，美籍匈牙利理論物理學家尤金·維格納曾預言，在極端高壓（超過地球表面大氣壓的400萬倍）條件下，固態氫應該可以導電，即表現出金屬性質。自此，越來越多的科學家加入這場圍獵「金屬氫」的競賽。雖然偶爾會得到一些似是而非卻令人充滿希望的成果，然而要在如此高的壓強下通過實驗來證實這個預測極其困難。 -
科學家「玩壞」了幾十顆鑽石之後，造出來了什麼怪物？
這也正是此次發現能夠引起如此反響的原因——是科學家們苦苦探尋了幾十年的一種超導體，提高溫度意味著不需要複雜的冷卻設備。要知道，此次的研究要比去年的最新進展足足高出了30多攝氏度。超導體只能在極高的壓力下存活，相當於接近地球中心的壓力，相當於馬裡亞納海溝壓力的40倍。因此，也正如研究作者所說，這意味著它不會有任何直接的實際應用。 -
金屬氫媲美核武器,世上唯一一塊金屬氫卻消失了
然而，隨著科學的進步，人們竟然可以製取金屬氫。2017年初，美國哈佛大學研究人員在《科學》上發文，聲稱在高壓下發現了金屬氫，一時轟動全球。而在此之前，世界上還從未出現金屬氫的樣品。金屬氫是液態或固態氫在上百萬大氣壓的高壓下變成的金屬體。金屬氫是一種高密度、高儲能材料，之前的預測中表明，金屬氫是一種室溫超導體。金屬氫內儲藏著巨大的能量，比普通TNT炸藥大30─40倍。 -
金屬氫是什麼？為什麼說金屬氫的誕生相當於當年的蒸汽機的誕生？
在初中我們都學過化學當中的元素周期表，第一個也是化學元素中最簡單的一個元素那就是氫，在我們印象當中氫屬於氣體，不能導電易燃。雖然我們也知道屁氫還有其它的兩個狀態，液態和固態，但是你知道嗎氫還有另外一種特殊的狀態那就是呈現金屬的性質，也就是金屬氫。 -
經過80年的探索,科學家終於發現了金屬氫
概括地說，物理學家尤金·保羅·維格納80年前曾預言，當加大壓力時，氫會變成固體，最終變成金屬。創造這些難以置信的壓力來證實這個理論是極其困難的。由法國原子能委員會的保羅·洛貝耶領導的這項新研究小組，使用一種叫做鑽石砧的裝置，在鑽石尖端壓縮氫氣，然後在法國的太陽同步加速器上用紅外線對樣品進行觀察。 -
地球上所有氫元素造一個氫彈，它的威力有多大，能毀滅太陽系嗎？
準確的說，氫彈中的氫也是氫，但它是氫的同位素，氫元素有三種同位素，分別是氕、氘、氚，原子核中則是質子、質子+中子、質子+2中子，三種元素的化學屬性幾乎就一樣，但它們的物理屬性卻大相逕庭，別的不說，含量比例上就大大不同！ -
「被哈佛大學研製出的霸氣「金屬氫」刷屏?其實國內可能早就有了...
哈佛大學的「金屬氫」，令材料人刷爆手機：用超級高壓，哈佛科學家造出地球有史以來的第一個金屬氫樣本據路透社當地時間1月26日，這項刊登在美國《科學》雜誌上的發現，首次證實物理學家希拉德·貝爾·亨廷頓和尤金·威格納1935年提出的理論，即通常為氣體的氫在極大壓力下可能變成金屬形態。幾個研究團隊一直在競相研製金屬氫，它因可能成為一種超導體而極其珍貴。目前，用於核磁共振成像儀等機器的超導體都必須用液態氦來保持極低的溫度，費用高昂。 -
製得金屬氫,在425吉帕斯卡下面
插圖是在三個壓力下收集的拉曼鑽石光譜的高波數部分。用於計算壓力的波數以紅點表示。圖片用：Nature (2020).很久以前，研究人員就得出理論認為，如果氫氣受到足夠的壓力，它將轉變為金屬。但是這些理論無法得出需要多少壓力。當科學家開發出能夠施加高壓的工具時，人們開始對理論產生懷疑，而高壓被認為是將氫氣擠壓成金屬所必需的。理論家只是將數字提高了。a，砧的掃描電子顯微照片。b，通過幹涉法測量的環形鑽石尖端的輪廓。 -
首個室溫超導體問世，為了發現它，科學家用廢了幾十顆鑽石
要知道為何氫-硫-碳會成為室溫超導體，我們先介紹一下超導的原理。此時氫變成了一種金屬狀態——金屬氫。然而，要讓金屬氫變成超導體需要的壓力實在太大了，以現有實驗室條件難以達到，倒是木星內部有可能滿足這樣的條件。 -
雷歐飛踢的威力是什麼水平 大於斯特裡姆光線?
雷歐飛踢是雷歐奧特曼必殺技，經常能給到怪獸致命一擊的作用，那雷歐飛踢的威力有大呢？與其他奧特曼的光線技能相比如何呢？雷歐奧特曼自己用飛踢往其他奧特曼的光線上去撞這種情況還沒有出現過，不過我相信雷歐奧特曼不到萬不得已，應該不會去這麼做。