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[讨论] 【海川化工科技前沿】厉害了!!!我国科学家率先“看见”固体氢的最精细结构

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我国科学家率先“看见”固体氢的最精细结构



常温常压下,氢以气体状态存在。高压下,氢结晶为固体。而超高压下固体氢的原子排列方式一直是未解之谜。

  2025年5月14日,国际权威学术期刊《自然》发表一项重大突破:由中国科学家领衔的国际团队用X射线纳米探针首次“看见”固体氢的复杂晶体结构。这是目前世界上固体氢的最精细结构。


  压力的升高,使氢的晶体结构趋于复杂。“气体氢的分子随机散落在空间中。随压力升高(5GPa),氢分子像跳棋子一样层层排列,形成固体氢。压力再升高(212-245GPa),一部分氢原子会形成蜂窝状排列,于是固体氢呈现更复杂的结构:跳棋子和蜂窝间隔着层层叠起。”论文第一作者、北京高压科学研究中心研究员吉诚说。

  为什么要“看见”固体氢?“金属氢具有极高的能量密度,是氢核聚变的理想原料,应用潜力、战略意义巨大,被称为‘高压物理的圣杯’。想要找到金属氢,研究固体氢是必经之路。”高压物理学家、中科院外籍院士毛河光说。

  如果说金属氢是“圣杯”,那么高压下固体氢结构就好比“圣杯”的杯座。此次中国科学家率先“看到”精细结构的固体氢,恰处于气体氢变成固体氢之后、金属氢形成之前的高压状态。

  毛河光介绍,诺贝尔物理学奖得主维格纳等人1935年预测,氢在极高压下会变为金属氢。后有物理学家提出,让氢得以金属化的压力高达500GPa——这相当于一架停在针尖上的巨型喷气式飞机对针尖施加的力。

  北京高压科学研究中心的实验室里,已完成实验的破碎金刚石样品被编上号、贴上标签,保存起来。图为打开盒盖后已完成实验的部分破碎金刚石样品。(受访者供图)


  “观测金属氢难度极大,因为氢金属化所需的超高压条件极为苛刻。我们将两颗超锋利的金刚石尖对尖,挤压中间的氢分子。用高亮度的X光穿透金刚石照射在高压氢上,X光与高压氢相互作用,就好比给固体氢‘拍照片’,得以窥见原子如何排列。”吉诚说。

  “晶体结构的研究应是金属氢研究的核心。因为金属氢的奇异特性取决于其特殊的原子排列。”毛河光说,这一发现对理解金属氢的形成路径与机制提供了关键依据。

 

发表于 2025-5-15 10:15:33

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发表于 2025-5-15 10:17:17

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发表于 2025-5-15 10:18:40

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北京高压科学研究中心的实验室里,已完成实验并破碎的金刚石样品被编上号、贴上标签,保存起来。受访者供图  研究固体氢,岂止费钻石,还费脑费心费神。氢是宇宙中最古老最丰富的元素,也是元素周期表第一号元素,但它依然有许多人类未解之谜。
高压物理学家、中科院外籍院士毛河光说,1935年,当诺贝尔物理学奖得主维格纳等人提出“氢能被金属化”时,人们还以为那是“天方夜谭”。好在90年来,随着研究深入,科学家离金属氢越来越近了。
如果说金属氢是“圣杯”,那么高压下固体氢结构就好比“圣杯”的杯座。
看见固体氢的晶体结构,目前用金刚石施压是唯一办法。将两颗超锋利的金刚石尖对尖放置,挤压放在中间的氢分子。当加压到数百GPa,用极亮的X光穿透金刚石照射在高压氢上,好比给固体氢“拍照片”,得以窥见氢原子如何排列。

 

发表于 2025-5-17 16:51:32

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发表于 2025-5-17 16:51:52

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项研究使用了瑞典MAX IV(最新一代同步辐射光源)的NanoMAX线站提供的纳米聚焦X射线,图为射线聚焦装置、样品台、光子计数探测器。受访者供图  听上去简单,但给氢加压不是按一下按钮,压力就升上去了。这是一场与头发丝较劲、与氢捉迷藏的战斗。
吉诚最怕听到的声音,是清脆的一声“啪”响。这意味着,金刚石又爆炸了。“金刚石锋利的尖只有头发丝直径的四分之一。有时一加压,氢气还没变成固体,就已经跑掉。还有的氢气虽没跑掉,但钻进了金刚石里,金刚石又会碎掉。”
“捕获固体氢的12年,改变了我的性格、磨炼了我的心性。一个成果就是,我的孩子出生之后不停哭闹,都没让我有太多波澜。”屡败屡战10多年后,吉诚已几乎能接纳一切。

 

发表于 2025-5-17 16:52:14

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发表于 2025-5-17 16:52:38

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发表于 2025-5-17 16:53:44

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他选钻石有三个标准:低荧光、低应力、少缺陷。

12年来,他花了两百多万元科研经费,悉心挑选了280多颗钻石。但没有一颗戴在身上、没有一颗送给太太,而是全部献给了一项固体氢的研究。

他叫吉诚,是北京高压科学研究中心的一名研究员。最新一期《自然》里,刊载了一项由他领衔的重大突破:人类用X射线纳米探针首次“看见”固体氢的复杂晶体结构。这是目前世界上固体氢的最精细结构。

等待这一刻,吉诚用了12年。如今,陪伴他一次又一次失败的金刚石编着号、贴着标签,躺在一个个小盒子里。它们有的破碎,有的满是伤痕,或许不再尖锐、不再那么闪耀,价值也所剩无几,但它在吉诚心里仍重千斤——这是时间授予他的勋章。

“刚发的那篇《自然》,实验用掉了80多颗碎钻。上一篇《自然》用掉了200多颗碎钻。这种样品,很费钱,我们用起来很珍惜。”吉诚说。

 

发表于 2025-5-17 16:53:59

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研究固体氢,岂止费钻石,还费脑费心费神。氢是宇宙中最古老最丰富的元素,也是元素周期表第一号元素,但它依然有许多人类未解之谜。

高压物理学家、中科院外籍院士毛河光说,1935年,当诺贝尔物理学奖得主维格纳等人提出“氢能被金属化”时,人们还以为那是“天方夜谭”。好在90年来,随着研究深入,科学家离金属氢越来越近了。

如果说金属氢是“圣杯”,那么高压下固体氢结构就好比“圣杯”的杯座。

看见固体氢的晶体结构,目前用金刚石施压是唯一办法。将两颗超锋利的金刚石尖对尖放置,挤压放在中间的氢分子。当加压到数百GPa,用极亮的X光穿透金刚石照射在高压氢上,好比给固体氢“拍照片”,得以窥见氢原子如何排列。

听上去简单,但给氢加压不是按一下按钮,压力就升上去了。这是一场与头发丝较劲、与氢捉迷藏的战斗。

 

发表于 2025-5-17 16:54:19

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吉诚最怕听到的声音,是清脆的一声“啪”响。这意味着,金刚石又爆炸了。“金刚石锋利的尖只有头发丝直径的四分之一。有时一加压,氢气还没变成固体,就已经跑掉。还有的氢气虽没跑掉,但钻进了金刚石里,金刚石又会碎掉。”

“捕获固体氢的12年,改变了我的性格、磨炼了我的心性。一个成果就是,我的孩子出生之后不停哭闹,都没让我有太多波澜。”屡败屡战10多年后,吉诚已几乎能接纳一切。

研究氢,是勇敢者的游戏。这意味着与无尽的失败为伴。吉诚说,他特别敬佩的法国一个国家实验室的研究团队,1996年发表了一篇震惊学界的论文之后,仍坚持冲击氢晶体结构研究数十年,再难有成果问世。“可正因氢够难,所以值得。”从选择研究氢结构的那一刻,吉诚就做好了10年颗粒无收的准备。

吉诚觉得,人有两种活法。一种是来到世上,把许多东西摸个遍,还有一种是扎进一个领域,把一个简单纯粹的东西穿透。“我适合后者。因为我不聪明,只有一根筋,但我经得住失败。”

 

发表于 2025-5-17 16:55:08

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吉诚觉得,人有两种活法。一种是来到世上,把许多东西摸个遍,还有一种是扎进一个领域,把一个简单纯粹的东西穿透。“我适合后者。因为我不聪明,只有一根筋,但我经得住失败。”

氢,改变了吉诚的世界观。“这个世界是有规律的,又是混沌的。但这并不矛盾,甚至是一体的阴和阳。”

向太太求婚时,对于“要不要买钻石”这事,吉诚陷入了沉思。人们买钻石,是因为不碎的钻石象征着爱的永恒。可他的实验室里,有太多碎掉的钻石。于是他反思:到底什么是永恒?

终于有一天,他的答案脱口而出:“宇宙大爆炸的那一刻,氢就存在了。氢可能就是一种永恒。”

 

发表于 2025-5-17 16:55:24

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【海川化工科技前沿】韩国研究人员开发了一种强度与尼龙相当可在海洋中降解的新型聚合物,
https://bbs.hcbbs.com/thread-5693798-1-1.html
(出处: 海川化工论坛)

 

发表于 2025-5-27 07:56:30

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【化工装备十年大发展】2392-2025中国航发国产2MW级纯氢燃气轮机商业化运行取得成功
https://bbs.hcbbs.com/thread-5693801-1-1.html
(出处: 海川化工论坛)

 

发表于 2025-5-27 08:09:41

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