常溫常壓下，氫以氣體狀態存在。高壓下，氫結晶為固體。而超高壓下固體氫的原子排列方式一直是未解之謎。
5月14日，國際權威學術期刊《自然》發表一項重大突破：由中國科學家領銜的國際團隊用X射線納米探針首次“看見”固體氫的復雜晶體結構。這是目前世界上固體氫的最精細結構。
圖1為氫的結構示意圖。（受訪者供圖）
壓力的升高，使氫的晶體結構趨于復雜。“氣體氫的分子隨機散落在空間中。隨壓力升高（5GPa），氫分子像跳棋子一樣層層排列，形成固體氫。壓力再升高（212-245GPa），一部分氫原子會形成蜂窩狀排列，于是固體氫呈現更復雜的結構：跳棋子和蜂窩間隔著層層疊起。”論文第一作者、北京高壓科學研究中心研究員吉誠說。
為什么要“看見”固體氫？“金屬氫具有極高的能量密度，是氫核聚變的理想原料，應用潛力、戰略意義巨大，被稱為‘高壓物理的圣杯’。想要找到金屬氫，研究固體氫是必經之路。”高壓物理學家、中科院外籍院士毛河光說。
如果說金屬氫是“圣杯”，那么高壓下固體氫結構就好比“圣杯”的杯座。此次中國科學家率先“看到”精細結構的固體氫，恰處于氣體氫變成固體氫之后、金屬氫形成之前的高壓狀態。
毛河光介紹，諾貝爾物理學獎得主維格納等人1935年預測，氫在極高壓下會變為金屬氫。后有物理學家提出，讓氫得以金屬化的壓力高達500GPa——這相當于一架停在針尖上的巨型噴氣式飛機對針尖施加的力。
北京高壓科學研究中心的實驗室里，已完成實驗的破碎金剛石樣品被編上號、貼上標簽，保存起來。圖2為打開盒蓋后已完成實驗的部分破碎金剛石樣品。（受訪者供圖）
“觀測金屬氫難度極大，因為氫金屬化所需的超高壓條件極為苛刻。我們將兩顆超鋒利的金剛石尖對尖，擠壓中間的氫分子。用高亮度的X光穿透金剛石照射在高壓氫上，X光與高壓氫相互作用，就好比給固體氫‘拍照片’，得以窺見原子如何排列。”吉誠說。
“晶體結構的研究應是金屬氫研究的核心。因為金屬氫的奇異特性取決于其特殊的原子排列。”毛河光說，這一發現對理解金屬氫的形成路徑與機制提供了關鍵依據。
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