如何评价 2017 年 1 月 26 日 Science 杂志报道哈佛团队成功制得固态金属氢？

不在学校下不到论文有些尴尬……如果属实的话，可以说是高压物理和材料科学的一次巨大突破。

金属氢因为原子间隔与电子波长长度相当，理论上具有常温超导性质。如果常压稳定的话对和电沾边的各行各业都是一场革命——的开端。

并且形成金属氢的超高压令它储存了巨大的能量，天然是一种高储能物质，理论上以金属氢作为燃料的火箭发动机比冲可以高达1700秒——远超目前的先进水平450秒，这对航天来说也意义非凡。

不过，实验室制备金属氢只是这场革命的第一步，金属氢能否在常温常压下保持类似金刚石的长时间稳定——尽管理论预期它能——也是个问题。

即使它可以稳定贮存，从实验室走向最终实用的工业化产品也没法一蹴而就——看看石墨烯就知道了。

短期内这个新闻对不搞相关科研的大众来说，意义大约是：社会上会出现大量金属氢概念股、金属氢初创企业、金属氢电池、金属氢手机壳、金属氢保健内裤……

另外，亨廷顿果然太保守了……当年他预测制造金属氢需要25 GPa压力，现在哈佛组的结果是：495 GPa……

（泻药

春晚无聊到

我看了一晚上文献（

然后就发现了2个大新闻

一个是金属氢的转变的最新报道。其能量密度可能是目前可实现的含能材料中最高的一种，且可能有高温超导性。

详见：

另一个就是首个游离的五唑阴离子合成。

详见：

关于第二个的回答见：

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82年前，Wigner和Huntington立了个flag：

在极低温，0.62 mole H/cm3的密度和25 GPa下，固态氢可以转变为金属，晶体中H以单原子形式存在。

到了2017年，flag倒了一半，因为Harvard的课题组用了495 GPa。

其实更早之前，Bernal预言，所有的非金属单质均可在一定条件下转变为金属形态。60年代，通过高压，人们制备了“金属碘”，然后黑磷等等的发现也在逐渐证实这一观点。逐渐地，硫等等单质均被高压所征服。而氢所在的IA族，只有氢元素不是金属，其下的Li~Fr都是。

不过此时，(地球上的)氢还在笑看众生。

毕竟，单单是氢的凝固点就是第二低的存在(14.01 K)，但是密度仅仅有0.086 g/cm3。而预计的金属氢密度接近于1 g/cm3，还差了2个数量级。为进一步压缩，所需要的压力可能大到难以想象。人们预计，在木星和土星地核处的强大压力和低温下，才会存在液态和固态的金属氢。木星磁场的变化也说明了这一点。

随着科技进步，理论物理学家发现当时他们的计算结果太过离谱，所以一次次修正了临界压力，最终公认的转变压力在400~500 GPa，也就是说在百万大气压的数量级上。

固态氢在低压下为分子晶体，是一种绝缘体。在低温下，分子以球对称的仲氢为主(转动量子数J=0)，而各向异性的正氢(J=1)为少数。此外，还有同位素D和T。

从相图来看，固态氢主要具有3个相：绝缘量子分子相(I)、低温对称性破缺相(II)和分子金属相(III)，三相交于一个三相点(153 GPa/120 K)。此外，毛河光等认为还有2个临界点，分别位于168 GPa/166 K和182 GPa/235 K。此后，在250 GPa以上，固态氢变得不透明，可能有部分分子裂解成为单原子，处于一种氢分子与氢原子共存的相。

主要的过程就是：

(1) 分子取向有序相变；

(2) 分子间能带重叠，形成分子金属氢；

(3) 分子键逐步断开，形成原子金属氢。

此外，由于零点能很大，金属氢和氘的基态是液态，另外其Debye温度的计算值为1980.2 K，因此临界温度很高(> 160 K)，很可能具有高温超导性。

然后，剩下的就变成了技术问题。

研究中所用到的高压设备主要分为动态压缩和静态压缩。动态压缩的动力主要是炸药，因为高能炸药爆炸瞬间的爆压可以达到30~40 GPa，通过多次传导放大，可以达到百万大气压的量级。其次，还可以通过强磁场或者等熵压缩法，也可以达到同等级别的压力。但是冲击波持续的时间过短，大概在微秒量级， 很难进行进一步的观测。

其次是静态压缩，早年主要通过大型水压机或者其他压力设备达到，优缺点和上面的动态压缩是对应的，难以达到很高的压力，但是可以持续很久。由于高压设备的发展暂时跟不上需求，所以探索金属氢的道路上处于停滞状态。

直到有人发明了不差钱的黑科技——金刚石对顶砧(DAC)。

由于动态超压过程持续时间不够，人们想到了用金刚石作为静态高压的基石。由于金刚石的高硬度、高导热性和对于高能X射线/射线/低能紫外线/红外线/可见光的透明度，在加压的同时也能方便观察，甚至可以用激光加热至> 7000 K，所以没有比金刚石更能胜任这一工作的材料。

在DAC中，2个对顶金刚石压砧和带有样品的空腔组成高压容器，压力可由红宝石荧光R线来标定。为了保证金刚石的力学性能，所以不得不用高净度和完美切工的钻石来完成这样的工作。而且如果压力过高，金刚石也一样会！破！碎！此外，过高的压力还可能使氢原子/分子渗透进金刚石中，改变其力学性能等性质，也会严重影响其极限压强。

在> 100 GPa的情况下，由于设备限制，测量电导率之类的电学方法就会失效，因此观测W-H相变的方法就剩下了一种——测定反射率，并与计算结果对照。金属化的结果是自由电子形成能带，进而对在Plasmon频率以下的光子具有电场屏蔽效果，也即产生了反射现象。所以通过观测反射光就可以确认是否出现了金属化。

(iPhone拍的照片，从透明到不透明到金属光泽)

(我怀疑苹果公司可能给了广告费)

不过，根据报道，去年12月Harvard的组就已经做出来了，但是由于最近关于金属氢和超导之类的虚假文章太多，而且现象也很难重复，Science的审稿人只好亲自来了一趟，去确认实验数据和结果。就这样，在克服了重重困难之后，隔了一个月才发表。

至此，人类终于制备出最简单的金属。

不过，金属氢的应用对得起这样的努力。当然，这一切的前提是，常压下的亚稳态可以实现。

首先，就是高温超导性。上文中提到，金属氢的超导临界温度的计算结果普遍> 160 K，甚至有人算出来过290 K。。。。。。不过考虑到经验公式的准确性，保守估计，有希望达到干冰的范围(195 K)。金属氢的性质更接近于金属，所以可能也具有一定的延展性，如果可以大规模制造，其应用范围将比现行的陶瓷超导体更广泛。

其次，金属氢和核同质异能素、反物质等等均可以作为超高能量密度材料。理论计算表明，金属氢在常温高压下是稳定的，在常压下可能以亚稳态存在。但金属氢一旦变成氢气，其放能的量极为巨大。

简单计算可以说明，假设金属氢的密度为1.0 g/cm3，那么1 cm3的金属氢约为1 g，也即~1 mol 氢原子。金属氢完全分解为氢气的话，则形成了0.5 mol的H-H键，按照键能(436 kJ/mol)，则可以放出的能量为(218-U) kJ/mol (U为金属氢的晶格能)。

考虑到其金属键强度不大，那么放能大概在100 kJ/g的量级(计算值为142 kJ/g)。而这已经是HMX的25倍，TNT的~35倍，且已经远远大于任何化学能源的能量密度，而仅次于湮灭/核裂变/核聚变/核同质异能素。

此外，金属氢的计算爆速同样达到了15000 m/s，而比冲超过了1700 s，而目前化学推进剂最高也就~400 s而已。所以作为火箭燃料的应用可能更广。考虑到稳定性可能有问题，做成液氢-金属氢混合推进剂也可能是个选择。

最后。。。考虑到金属氢更多的是理论价值，上面的实际应用可能还有很大的一段距离，作为替代品的Li-H ()等可能具有更低的临界压力和更高的转换温度，离实用会更进一步。虽然说现在看起来离实用还远，不过，在科学史上立flag的人往往日后被疯狂打脸。。。 @ xxxxxxx

Reference

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PS: 说不定就是什么诺贝尔奖候选（大雾

此外中国和美国在春节前连着2发大新闻，真是。。。。。

2017.1.30 update

有人想看看和中国的五唑的比较。

关于五唑的回答请见：

1. 学术角度

显然，金属氢在物理学的理论价值是十分重大的，以至于哪怕做不出来都可以发Nature。。而且作为高能材料的性能显然也比五唑类要高很多，这是毫无疑问的。例如，金属氢的比冲大概有1700 s左右，而可能的N10的比冲大概也就400~600 s的数量级。

2. 实用角度

显然，本文的五唑合成是完全有能力进行工业放大生产的，并且成本也不高。此外，五唑的衍生物还远远没有得到开发，可能很快就有相关的研究成果问世。而金属氢还处于一次做出微克级，用的还是极其昂贵的仪器——金刚石对顶砧，所以可能离实用还有很大的距离。

3. 结论

金属氢的成果更倾向于理论研究，而且理论上的性能确实更好。但如果考虑到实际应用，那么五唑将会领先不止一步。