【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

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。

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。

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。

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。

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。

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。”

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。”

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(出处: 海川化工论坛)

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(出处: 海川化工论坛)