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高能的金属氢,威力比TNT大几十倍,造它要用钻石

2019-12-04 17:16:49 来源: 网易谈兵 举报
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近日,中国科学院合肥物质科学研究院宣布成功在高温高压下获得了金属氢和氚,并且将成果发表。

金属氢被誉为“高压物理的圣杯”,我们知道氢是最轻的元素,每立方米氢气重量只有不到90克,水的密度比它大9000多倍。

但是1立方厘米金属氢却有1克重,和氢气密度差好多个数量级。

要把氢气从气体态变成金属态,说起来很简单,就是加压,但是却又一点也不简单,需要很高很高的压力。

上世纪30年代两位诺贝尔奖得主预测这个压力大约是25Gpa,也就是25000000000帕,但是事实表明,这个估算还是差得太远,科学家们现在给出的答案是需要500Gpa的压力,是最初估算的20倍,而地核中心的压力才360Gpa。

作为对比,TNT炸药爆炸产生的压力相当于10万个大气压,只有10Gpa多,所以可想而知想要制备金属氢是一件多么困难的事情。

目前人类所能制造最高压力的手段无疑是核爆,据测算核爆中心最高能达到数十甚至数百亿个大气压,但是这种毁灭性的高压并没有什么用,任何物质在核爆中心都会化为气体。

高能的金属氢,威力比TNT大几十倍,造它要用钻石

金属氢在自然状态下,可能存在于一些气态行星的核心,如木星和土星,只有在这样巨大的行星内部才能有如此高的压力。

在实验室制造金属氢,就需要一种静态下产生高压的仪器,这就是金刚石对顶砧,它是一对经过精心切割和打磨的金刚石,两个尖端在高压下互相挤压,最终能产生400Gpa的压力,氢原子在这样巨大的压力下发生相变,成为氢元素的简并态物质,质子和电子组成液态的系统,也就是液态金属氢,假如质子形成晶体结构,这就成了固态的金属氢。

高能的金属氢,威力比TNT大几十倍,造它要用钻石

金刚石对顶砧的示意图

金属氢可以在常态下保持亚稳定,也就是说,当氢气在超高压下发生相变变成金属态后,压力恢复正常,它仍会保持金属态。就如同石墨在高压下变成金刚石,在常态时不会再转变回石墨。

这一点意义十分重大,因为金属氢具有很多奇异的特性。

首先,它是一种高能物质。

金属氢的能量密度是常规物质里最高的,是TNT炸药的35倍,不仅如此,金属氢的爆速也达到15000米/秒,以威力著称的猛炸药黑索金的爆速只有8750米/秒,可见金属氢的能量密度和猛度都举世无匹,即便是有“现实版N2爆弹”之称的全氮阴离子盐,在威力上也远远不及金属氢。

高能的金属氢,威力比TNT大几十倍,造它要用钻石

EVA中的N2爆弹,是一种虚构的威力媲美原子弹的武器

同时金属氢也是绝佳的火箭燃料,比冲超过1700秒,目前固体推进剂的比冲为290秒,液体推进剂比冲能到453秒,假如火箭使用金属氢做推进剂,就可以实现单级火箭入轨这种科幻电影里才能出现的场景。

第二,金属氢具有高温下的超导特性。

据研究,金属氢的超导温度大于160K,有望超过干冰温度195K,科学家们希望可以利用它最终实现室温下的超导,如果成功,无疑是人类文明的又一次飞跃。

不过现阶段在实验室里制备金属氢,只是万里长征迈出了第一步,离它的实用化还远得很。

因为实验室制造的金属氢量太小了,甚至用先进的仪器也很难观测到,大批量制造金属氢,相信会是工程学上的一个大难题。

这里要说一下金刚石对顶对顶砧这种设备,它其实体积很小,基本一只手就能提起来。

其核心最关键的原件就是承受压力的两颗金刚石,虽然它并不是像某些文章说的需要用高纯度和完美切工的钻石,实际上使用的是人造钻石,不过成本也是相当高。

尤其金刚石还是一种耗材,因为在超高压力下,氢会渗入钻石表面产生“氢碎”。之前有媒体采访国内某个金属氢课题小组,他们做了100组实验,耗费的钻石就有几百颗,估计成本也不是一个小数目。

但是科学就是如此,刚刚起步的时候总是万分艰难,比如在19世纪早期,铝的制造成本高到逆天,它甚至比黄金还贵,但是当电解铝的工艺出现后,铝就变成了一种廉价的金属,毕竟在地壳中铝是含量最多的金属。

氢元素在地球的含量也极为丰富,电解水就可以获得氢气,假如将来金属氢的制造也像铝一样变得廉价简单,对世界的影响将无可估量——当然我们希望它最好别用在军事上。

高仰止 本文来源:网易谈兵 责任编辑:姚文广_NN1682
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