氫在科學(xué)歷史上一直都給人們以驚喜，氫是自然界最簡單的原子，是宇宙最早形成的元素，也是宇宙的主要組成元素�？茖W(xué)家從來都偏愛簡單，因此氫一直受到科學(xué)家的青睞。歷史上最偉大的科學(xué)家如玻爾、佐墨菲爾德、斯特恩、海森堡、泡利、薛定諤、狄拉克、尤里、拉比等等都深深迷戀著氫原子。今天氫仍然有許多秘密沒有被人類認(rèn)識，尤其是最近10年發(fā)現(xiàn)氫氣的生物學(xué)效應(yīng)開始引起生物醫(yī)學(xué)的關(guān)注，因為這種簡單安全的氣體分子可能會對醫(yī)學(xué)產(chǎn)生革命性影響。
科學(xué)家最近研究發(fā)現(xiàn)，在極端壓力下，氫與石墨烯具有驚人的相似之處。這一研究成果是12月份《化學(xué)研究述評》的封面推薦文章。在正常大氣壓的200萬至350萬倍壓力條件下對氫的變化進(jìn)行了觀察。出人意料的是，在極端高壓條件下氫轉(zhuǎn)化成了單層片狀結(jié)構(gòu)，6個氫原子形成的氫環(huán)的單層片狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)類似石墨烯的結(jié)構(gòu)，與多年前科學(xué)家的預(yù)測大相徑庭。
氫是宇宙中最豐富的元素。氫的結(jié)構(gòu)簡單得出奇——每個氫原子由一個單電子構(gòu)成。玻爾正是利用氫原子為模型，提出了了電子軌道的原子結(jié)構(gòu)理論，使人類第一次認(rèn)識到原子是類似太陽系一樣的結(jié)構(gòu)。量子力學(xué)誕生時，氫成了化學(xué)鍵理論的試驗場�？茖W(xué)家根據(jù)量子力學(xué)理論推測，極端高壓條件下氫會變成像金屬一樣光澤且導(dǎo)電性強(qiáng)的物質(zhì)。
這是一種新的物質(zhì)形態(tài)，這種狀態(tài)的氫通常存在于大型行星或太陽內(nèi)核之中，分子分離成單原子，電子的行為特征像金屬電子一樣。早在80多年前，這種狀態(tài)的氫首次在理論中被提出。從40多年前開始，科學(xué)家們一直在努力嘗試再造這種狀態(tài)的氫，但均未能成功。此次英國愛丁堡大學(xué)科學(xué)家利用鉆石對頂砧對氫實施壓縮到前所未有的高壓狀態(tài)，從而證實了這種罕見的“金屬態(tài)氫”的存在。“金屬態(tài)氫”狀態(tài)不穩(wěn)，科學(xué)家此前也從未見過“金屬態(tài)氫”。
太陽和太陽系的大型行星的內(nèi)核主要由這種高壓形式的氫元素構(gòu)成。該項研究主要負(fù)責(zé)人、英國愛丁堡大學(xué)物理和天文學(xué)學(xué)院科學(xué)家尤金-格雷高里安茲教授介紹說，“在過去30年間，在無數(shù)次的高壓實驗中，科學(xué)家們都聲稱制造出金屬態(tài)氫，但后來這些實驗結(jié)果都被證明無效。我們的研究首次拿出了實驗證據(jù)證明氫可以像預(yù)測的那樣擁有固體金屬態(tài)，不過所需要的壓力也比此前想像的要高得多。研究成果將有助于基礎(chǔ)科學(xué)和行星科學(xué)的發(fā)展。”英國愛丁堡大學(xué)研究團(tuán)隊利用鉆石對頂砧制造出某種極端高壓狀態(tài)，即生成“第五狀態(tài)氫”所必需的壓力狀態(tài)，將氫壓縮成新的固體狀態(tài)。為了達(dá)到“第五狀態(tài)”，研究團(tuán)隊所實現(xiàn)的壓力相當(dāng)于325萬個地球大氣壓�？茖W(xué)家們利用激光顯微拉曼光譜儀觀測到了這種狀態(tài)的變化，從而通過實驗證明了氫的這種不尋常特性。在這種極端高壓狀態(tài)下，分子開始分離成單原子。研究人員發(fā)現(xiàn)，電子的行為與金屬電子的行為特征相似。盡管此次實驗比此前的實驗邁進(jìn)了一大步，但科學(xué)家承認(rèn)還需要繼續(xù)努力加以佐證。此外，為了生成單純的原子和金屬狀態(tài)可能還需要更大的壓力。
每層石墨烯包含若干由6個碳原子構(gòu)成碳環(huán)并呈現(xiàn)出蜂窩狀結(jié)構(gòu)。石墨烯約在10年前被發(fā)現(xiàn)和人工合成，它質(zhì)量很輕，但卻極其強(qiáng)韌，具有非常好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。這些特征使之在光學(xué)電子屏幕、高性能光伏電池等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用價值。
研究結(jié)果表明，特殊條件下氫結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性源于氫環(huán)的內(nèi)在穩(wěn)定性。這些氫環(huán)也具有“芳香性”，這在含碳分子苯以及石墨烯中是很好理解的：芳香結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一種環(huán)狀，可以看作是單鍵碳原子和雙鍵碳原子的交替排列。實際上，構(gòu)成這些單雙鍵原子交替排列的電子會在環(huán)形結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)漂浮，這增加了環(huán)形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 |
