颠覆百年化学常识 固体“氢化金”问世

　　过往，黄金被视为地球上最稳定的物质之一。不过，国际顶级研究团队在一次极端特殊的实验中，意外看到金与氢融合后产生新性质。这项发现不仅为理解行星、恒星内部的核融合等极端环境提供新视角，也为探索新材料铺平道路。

　　金是活性最低的金属之一，它与氢的相互作用最近才被深入研究和关注。虽然有机金属化学的最新发展已经成功合成了氢配合物，但大部分都是在气相或液态氦温度（-269°C）下进行。由于金与氢在常温常压下无法形成固态的氢化金，而且科学界对其特性所知甚少。

　　美国能源部旗下的（DOC）SLAC国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）科学家，在研究极端高压高温下钻石的形成过程时，意外地合成了自然界不存在的固体“氢化金”，它是一种完全由金和氢原子组成的化合物。

　　此发现挑战了黄金作为目前已知最惰性金属之一的传统认知，并为研究“致密氢”打开了新途径，有助于科学家理解行星内部结构与核聚变（核融合）过程，也为发觉新材料铺平道路。这项研究结果于8月4日发表在《应用化学国际版》上。

　　实验过程中，研究人员正在研究碳氢化合物（由碳和氢组成的化合物），在极高的压力和高温下形成钻石需要多长时间。他们将碳氢化合物样品挤压到40 GPa以上时（比地函内部压力更大），并用X射线脉冲反复撞击样品，使样品加热超过1700°C（3500°F）。

　　研究团队透过分析了X射线的散射图谱，来解析样品内部的结构变化。结果如研究团队预期的那样，散射图案显示碳原子形成了钻石结构。不过，令研究团队惊讶的是，氢原子竟与作为容器的金箔发生反应，形成了一种固态的氢化金。

　　氢是最轻的元素，其散射X射线的能力较弱，因此用X射线难以进行研究。然而，研究人员观察到，在这种极端条件下氢会进入一种致密的“超离子”状态，让原本稳固的金原子晶格变成六方最密堆积（hcp）结构，从而让氢原子能自由穿梭其中，变成一种氢金化合物。

　　此外，电脑模拟还表明，在更高的压力下会有更多的氢融入金的晶格中。不过，他们发现这种氢化金只能在极高的压力和温度下，才能形成稳定的氢化物，若温度冷却金和氢就会分离，而金的晶格也会恢复成原本的立方晶系（fcc）状态。

　　研究人员指出，氢化金的出现，提供他们一种研究致密原子氢的独特方法，包括有助深入理解宇宙中那些由致密氢构成的行星，或洞悉像太阳恒星内部的核聚变过程提供新见解。

　　他们还表示，这项研究不仅为研究致密氢铺平了道路，也为探索奇异的、先前未知的化合物提供了途径。同时开辟了高压化学的新领域，并启发科学家在地球研发出可行的核聚变技术。

　　领导这项研究的SLAC研究员蒙戈·弗罗斯特（Mungo Frost）对SLAC实验室的新闻室表示，“我们可以用金晶格来观察氢的行为。这结果很出乎意料，因为黄金的化学性质通常非常平淡且不活泼，这就是为什么我们在这些实验中用它作为X射线吸收剂。”

　　他接着说，“不过，结果表明在极端条件下，当温度和压力的影响开始与传统化学反应竞争时，就可能会产生许多新的化学反应，从而形成这些奇异的化合物。”

　　“重要的是，我们能透过实验和模拟工具，模拟特殊材料在极端条件下的状态，是否拥有其它特殊的性质。”此模拟框架还可以扩展到金氢化物之外，SLAC高能密度部门主任、光子科学教授、该研究的首席研究员齐格飞·格伦泽（Siegfried Glenzer）说。

（示意图）

　　该研究由一个庞大的国际团队共同完成，包括来自德国罗斯托克大学（Rostock University）、德国电子同步加速器中心（DESY）、欧洲X射线自由电子雷射装置公司（European XFEL）、德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf）、法兰克福大学（Frankfurt University）、拜罗伊特大学（Bayreuth University）。

　　另外，还包含英国爱丁堡大学（University of Edinburgh）、美国卡内基科学研究所（Carnegie Institution for Science）、美国斯坦福大学（Stanford University）和斯坦福材料与能源科学研究所（SIMES）的研究人员，且部分工作得到了美国能源部（DOE）科学办公室的支持。