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金屬氫作為未來的高密度、高儲能材料，一直是人類夢寐以求的能源物質。90多年來，人們一直在嘗試以金屬的形式生產氫，并為此作出了不懈的努力，但始終沒有得到穩定的金屬氫樣品。
從理論上講，在超高壓下可以得到金屬氫，一旦夢想成真，將給世界科技帶來革命性的變化。然而，要獲得金屬氫樣品，科學家們還需要進一步研究。
最誘人性能 傳說具有室溫超導能力
早在1935年，英國物理學家就預言，在一定的高壓下，任何絕緣體都可以變成導電金屬，而不同的材料需要不同的壓力才能變成導電金屬。
金屬氫是指液態或固態氫在超高壓下變成的導電體，由于導電是金屬的特性，故稱為“金屬氫”，金屬氫的成功生產，不僅意味著人類發現了一種全新的高密度、高儲能材料，而且可能會掀起一場科技革命。
這一發現意義重大，以至于世界各地的許多研究小組都聲稱他們已經成功獲得了金屬氫，但他們的競爭對手卻對此表示高度懷疑。
為什么這種常見元素的“金屬版”如此受重視？金屬氫研究的倡導者列舉了一些例子。例如，當金屬氫轉化為氫分子時，會釋放出大量的熱能，有可能成為突破性的火箭燃料。再比如，據說木星這樣的氣態巨行星的核心是由金屬氫等材料構成的。因此，一些行星科學家認為，如果我們能夠在實驗室中成功生產出金屬氫，我們或許能夠更好地了解這些行星。它是如何形成的。然而，金屬氫最吸引人的特性是傳說中的室溫超導性——它允許電流流動而不會損失任何能量。
澳大利亞的海倫·梅納德·凱斯利（Helen Maynard Kessley）表示，基于所有這些原因，如果一項實驗成功產生金屬氫，將在科學界引起轟動。“我認為金屬氫的研究人員希望獲得諾貝爾獎”。
將氫壓入金屬并承受比地核更高的壓力
盡管具有誘人的潛力，但生產金屬氫的過程既困難又曲折。
先說一下氫的獨特特性，氫是宇宙中含量最多的元素，但也是宇宙中最簡單的元素，由單個電子組成的氫與鋰、鈉和鉀等堿金屬一起位于元素周期表的第一列。鋰、鈉、鉀三種元素以固體形式存在于地球上，可以導電。氫氣通常以氣體形式存在，要把它變成金屬，每個氫原子核必須緊緊地結合在一起，讓它們的電子變得“不受位置限制”，也就是說，讓它們可以在原子周圍自由移動，從而產生導電性。
最早意識到這種轉變可能性的是物理學家尤金·維格納和希拉德·貝爾·亨廷頓。他們早在 1935年就做出預測，使氫的行為與元素周期表中的鄰居一樣，關鍵是壓力——超壓力。
在極端壓力下，氫分子之間的距離會變得很近，迫使原本在原子核周圍運動的電子變成自由電子，穿梭在整個高壓氫塊中。這種氫塊將表現出金屬固體、堅硬、有色和導電的特性。這種氫結構被稱為“金屬氫”。
要做到這一點，需要近400千兆帕斯卡（GPa）的壓力，這是大氣壓的400萬倍，相當于一個大噴氣機在小針頭上的重量，至少在實驗室里要達到這么大的壓力是很有挑戰性的。 “實際上，100GPa以上的壓力，很少有人能做到。”凱斯利說。
科學家們正在為生產金屬氫所需的超壓而不懈努力，最早接近這種壓力的時間是1998年。來自紐約康奈爾大學和馬里蘭大學的工程師團隊在一種稱為“金剛石鐵砧”的材料上對氫樣品施加壓力。
“金剛石鐵砧”實際上是一對超鋒利的金剛石。它的尖端非常小，只有人類頭發直徑的四分之一左右。雖然很小，但研究人員可以在這些尖端之間捕獲一些氫分子。接下來，他們設法將兩個金剛石鐵砧推到一起，擠壓它們之間的氫分子。最終，在打破 15 對金剛石鐵砧后，研究人員終于設法將尖端之間的壓力調整到接近地核內部的342GPa-a值。理論上，這個壓力應該足以金屬化氫，但氫分子仍然無動于衷。
四年后，由法國原子能委員會(CEA)的Paul Laubaire領導的一個研究小組認為，這樣的結果在意料之中。估計氫產生金屬豐度的壓力值是基于氫原子中可用電子的兩種不同能態之間的“間隙”——間隙會隨著壓力的增加而縮小，從而改變電子吸收或發射的方式的光。在間隙即將閉合且材料變為金屬之前，氫電子吸收光但不發光，這導致材料變得越來越不透明。然而，一旦間隙完全閉合并且電子可以以自由移動的電導體的形式存在，它們將重新發射吸收的光能，使材料具有高反射性。
根據觀察，勞拜爾和他的同事認為，將氫轉化為金屬態需要大約 450 GPa。
金屬氫樣品在爭議中誕生并“意外”丟失
又過了13年，終于達到了生產金屬氫的目標。事實上，最終壓力已達到495 GPa，研究人員也見證了氫獲得金屬豐度的過程。至少，哈佛大學的兩位研究人員 Diaz 和 Isaac Sivilla 在 2017 年發表在《科學》雜志上的同行評審論文中是這樣聲稱的，在美國哈佛大學發布的新聞稿中，Silvera 將這一成就稱為“高壓物理學的圣杯。”
但勞拜爾并不同意這種說法。他在接受《自然》雜志采訪時說，“這篇論文根本沒有說服力。”這是因為論文中得到的所謂金屬豐度只是基于氫反射率的測量結果：在495 GPa時，它變得有光澤。但可能還有其他原因。例如，金剛石尖端上的氧化鋁涂層可能會在巨大的壓力下改變氫的反射率。
此外，壓力讀數是根據鉆石在高壓下的振動模式推斷出來的，而不是直接測量的。因此，聲稱的壓力未能讓其他研究人員相信壓力可能不會超過350GPa。
德國美因茨馬克斯普朗克化學研究所的 Mikhail Eremetz 也在嘗試制造金屬氫，他和他的同事亞歷山大·德羅茲多夫 (Alexander Drozdorf) 表示，哈佛研究人員發表的數據無法找到令人信服的金屬氫證據。“除了引用金剛石表面涂層反射率的變化來表示可能性之外，壓力測量也模糊不清。”
顯然，現在需要做的是：重復實驗。但說起來容易做起來難，因為這種實驗是自我毀滅的。
Dias 和 Sivela 一直擔心氫樣本的脆弱性，這也是他們限制測量數量和范圍的原因。更重要的是，在宣布了他們具有里程碑意義的成就并準備進一步研究后，他們發現樣本已經消失了。
兩年過去了，他們仍然不知道發生了什么。金屬氫的碎片——如果它們真的被轉化為金屬氫——只有 10 微米厚，這可能是從兩個金剛石砧的抓地力中滑落的。它滑到儀器底部并丟失了，或者它可能已經蒸發了。但他們仍然堅稱他們“非常有信心我們已經觀察到金屬氫的存在”。
在爭議中前行，金屬氫的發現之門終將打開
科學家之間的這場爭論也為最終發現金屬氫打開了大門。
2019 年 6 月，Laubair 在一篇題為“接近425GPa時向金屬氫轉變的一級相變觀測結果”的論文中提出了他們的觀點。這篇論文由他和他在 CEA 的同事 Florent Oselli 以及法國同步加速器 SOLEIL 研究所的 Paul Dumas 共同撰寫。
“我們展示了在接近 425GPa 的壓力條件下從絕緣體分子固體氫到金屬氫的相變。”他們認為，之所以能夠實現這種壓力，是因為奧塞利幫助開發了一種新型金剛石鐵砧。
Eremetz 認為這些觀察結果很有趣，但遠非結論性的。迪亞茲指出，要證明金屬態的存在，至少必須證明這兩件事之一：一是證明當溫度接近絕對零時，電導率仍然有限；另一種是證明材料的反射率隨著波長的增加而增加——但他認為這些點都還沒有被揭示。
迪亞斯還指出，許多觀察結果之前實際上已經被其他研究團隊看到過。埃雷梅茨還表示，許多這些“新”結果之前已經報道過，其中一些是他的研究團隊報道的。
對于像梅納德·凱斯利這樣的外部觀察者來說，獲得明確答案的唯一方法是等待他們的論文發表在同行評審的期刊上。“作為一名科學家，我必須尊重同行評審的意見。”她說。
我們如何看待這些實驗和爭議？我們是否還需要再等90年才能獲得未來的終極能源？迪亞茲和西維拉聲稱他們重復了之前的實驗并觀察到了相同的結果。“大約一年前，我們在高壓下復制了一個樣本，但由于技術原因，我們無法測量壓力，所以我們沒有發表。”西維拉說。
迪亞斯后來被調到美國羅徹斯特大學，“我正在建設一個新實驗室，一個有能力生產金屬氫的實驗室，我相信我們可以復制這項研究。”
科學家不會被動等待。越來越多的人在為之努力，雖然可能有三四個人同時重復對方的工作，每個人都會聲稱自己是第一個。拉斯維加斯內華達大學高壓系統研究員 Ashkan Salamat 說：“金屬氫的開發是我們共同的目標，雖然我們不知道它是液體還是固體，還是一種室溫超導體，我們現在需要做的就是共同回答這些問題。”
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