《自然》刊发固体氢结构研究成果

5月14日，国际权威学术期刊《自然》刊发了由中国科学家领衔的国际团队的研究成果：他们借助 X 射线纳米探针，首次成功“看见”固体氢的复杂晶体结构，这也是目前世界上最精细的固体氢结构。

署名的作者有：Cheng Ji, Bing Li, Jie Luo, Yongsheng Zhao, Yuan Liu, Konstantin Glazyrin, Alexander Björling, Lucas A. B. Marçal, Maik Kahnt, Sebastian Kalbfleisch, Wenjun Liu, Yang Gao, Junyue Wang, Wendy L. Mao, Hanyu Liu, Yanming Ma, Yang Ding, Wenge Yang & Ho-Kwang Mao

破解兆巴压缩下的结构之谜

在凝聚态物理领域，分子氢 H₂在兆巴压缩下的结构演化，及其与原子金属氢的关系，始终是悬而未决的关键难题。尽管理论层面已提出数十种晶体结构模型，但此前实验仅证实了由球形无序 H₂组成的简单六方密堆积（hcp）结构。如今，中国科学家的重大突破改写了这一局面。

常温常压下，氢以气体形态存在；在高压环境中，氢结晶为固体。

然而，超高压下固体氢的原子究竟如何排列，长期以来都是科学界的未解之谜。随着压力不断升高，氢的晶体结构也愈发复杂。

研究成果表明，气体氢的分子在空间中随机分布，就像随意散落的珠子。当压力升至 5GPa 时，氢分子如同跳棋子般层层有序排列，形成固体氢。而当压力进一步达到 212～245GPa，部分氢原子会组成蜂窝状结构，此时固体氢呈现出更为复杂的形态——跳棋子结构与蜂窝结构间隔堆叠。

此次研究采用了先进的纳米聚焦同步加速器 X 射线探针技术。研究团队将两颗超锋利的金刚石尖对尖，挤压中间的氢分子，创造出超高压环境，再用高亮度的 X 光穿透金刚石照射高压氢。X 光与高压氢相互作用，如同为固体氢“拍摄照片”，从而让科学家得以观察原子的排列方式。

最终，研究人员发现，在 212GPa 以上的压力下，hcp H₂会转变为后 hcp 结构，其超晶胞体积是前者的六倍，这意味着球形 H₂转变为多种有序构型。

理论计算进一步揭示，该结构中球形无序 H₂层与由 H₂三聚体（H₆）构成的石墨烯状层交替排列，这一超晶胞此前从未在任何后 hcp 相理论研究中出现，却与众多混合层结构理论模型相近。

通往“高压物理圣杯”的必经之路

为什么科学家执着于“看见”固体氢？高压物理学家、中国科学院外籍院士毛河光指出，金属氢能量密度极高，是氢核聚变的理想原料，在应用和战略层面都具有巨大意义，被视作“高压物理的圣杯”。

而研究固体氢，正是揭开金属氢奥秘的必经之路。早在 1935 年，诺贝尔物理学奖得主维格纳就曾预测，氢在极高压下会转变为金属氢。

后续有物理学家提出，实现氢金属化需要高达 500GPa 的压力，这相当于一架巨型喷气式飞机停在针尖上对针尖产生的压力，观测难度可想而知。

毛河光院士表示，晶体结构的研究是破解金属氢奥秘的核心，因为金属氢的奇异特性源于其特殊的原子排列。此次发现为理解金属氢的形成路径与机制提供了关键依据。

固体氢在气体氢转变为金属氢的过程中处于承上启下的高压状态，其结构转变证据表明，H₂分子在极端压力下存在从缔合趋向聚合的趋势，这也为探索金属氢分子到原子的转变性质提供了重要线索。考虑到 H₂在高达 400GPa 的光谱行为中仍表现出强烈的振动和弯曲峰，科学家谨慎推测，氢分子聚合过程可能会持续进行，直至实现金属化。

这项成果不仅是中国科研实力的有力彰显，更为高压物理领域探索金属氢打开了全新局面，有望引领该领域迈向新的研究高度。