常溫常壓下，氫以氣體狀態(tài)存在。高壓下，氫結(jié)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。

14日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表一項(xiàng)重大突破：由中國科學(xué)家領(lǐng)銜的國際團(tuán)隊(duì)用X射線納米探針首次“看見”固體氫的復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)。這是目前世界上固體氫的最精細(xì)結(jié)構(gòu)。

圖為氫的結(jié)構(gòu)示意圖。（受訪者供圖）

壓力的升高，使氫的晶體結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜。“氣體氫的分子隨機(jī)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(xiàn)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)：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(xué)研究中心研究員吉誠說。

北京高壓科學(xué)研究中心的實(shí)驗(yàn)室里，已完成實(shí)驗(yàn)并破碎的金剛石樣品被編上號、貼上標(biāo)簽，保存起來。（受訪者供圖）

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(yīng)用潛力、戰(zhàn)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(jīng)之路。”高壓物理學(xué)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(jié)構(gòu)就好比“圣杯”的杯座。此次中國科學(xué)家率先“看到”精細(xì)結(jié)構(gòu)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(tài)。

毛河光介紹，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主維格納等人1935年預(yù)測，氫在極高壓下會變?yōu)榻饘贇洹：笥形锢韺W(xué)家提出，讓氫得以金屬化的壓力高達(dá)500GPa——這相當(dāng)于一架停在針尖上的巨型噴氣式飛機(jī)對針尖施加的力。

北京高壓科學(xué)研究中心的實(shí)驗(yàn)室里，已完成實(shí)驗(yàn)的破碎金剛石樣品被編上號、貼上標(biāo)簽，保存起來。圖為打開盒蓋后已完成實(shí)驗(yàn)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?yàn)闅浣饘倩璧某邏簵l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(jié)構(gòu)的研究應(yīng)是金屬氫研究的核心。因?yàn)榻饘贇涞钠娈愄匦匀Q于其特殊的原子排列。”毛河光說，這一發(fā)現(xiàn)對理解金屬氫的形成路徑與機(jī)制提供了關(guān)鍵依據(jù)。