壹柒·讀-偉大的渺小?小鑽石也有大壓力
最近，某人總在我面前談論bling bling的鑽石——莫不是暗示我給她買鑽石？可小壹柒創業未半，錢已用光啊……不過，總說到鑽石，再結合最近的科研實驗，就想著寫一篇高大上的科普文章，證明小壹柒跟其他妖艷貨可不一樣，絕對有文化有內涵有品質——即便沒有鑽石，也值得你擁有！
所以
很明顯的，今天不談JJ林俊傑。
很不明顯的，也不談鑽石。
我們談談，所謂上天入地，我們可以離開地表多遠？
是人造衛星的三萬六千公里？是月球上阿姆斯特朗的腳印？還是勇敢的卡西尼墜入的土星環縫？我們又可以入地多深？至今，這個記錄還是俄羅斯科拉半島的13公里，不及地球半徑的0.21%。雖然我們也能夠通過由於地球內部運動「吐」出來的鑽石等窺探一二，不過這也僅限於地球半徑的10%。
好吧，以上這些都不是今天的主題——怪我任性咯……今天真正想給大家介紹的是「高壓」。這貨高深到可以幫助學者實現室溫超導，可又普通到你煮飯都在用高壓鍋。那麼，從科學的角度，「高壓」究竟是什麼？有什麼研究價值？今天，小編就帶你來一窺究竟。
一．地球深部的旅行
地球半徑6300餘公里，地心最高壓強可達365 GPa，即365萬個大氣壓。如果受力面積是1平方米，那在其上要承載3.65×107噸的物質，相當於400艘航空母艦，
也相當於一根頭髮支撐一頭大象！
這種比喻是一個很好的啟發：在很小的截面上施加不太大的力就可以創造高壓環境。
然而說起來容易，做起來難。經過幾十年的努力，科學家最終找到了自然界最硬的物質——金剛石，也就是女孩子們心心念的鑽石。通過將兩顆精心切割過的金剛石相對靠近，對放置在它們之間的樣品施力產生高壓。
圖1、（a）金剛石壓腔（圖片來自於美國芝加哥大學地球物理科學學院礦物物理實驗室）；（b）金剛石對頂砧（圖片來自於日本東京工業大學地球生命研究所野村研究員）；（c）金剛石對頂砧截面及樣品腔（圖片來自於Yang et al., Scientific Reports, 2015）。
壹柒不知道：如圖1所示：兩顆金剛石之間放置樣品以及帶小孔的墊片（用以產生放置樣品的封閉空間）。通過外部機械裝置減小兩顆金剛石之間的距離，封閉空間不斷縮小，壓強不斷升高，形成高壓環境。相對放置的金剛石以及外部機械裝置合起來這一套設備稱為金剛石壓腔（diamond anvil cell，DAC）。現在測量到的DAC產生的最高壓力超過了1000 GPa （Dubrovinskaia et al., 2016），遠遠超過了地心的壓力，為研究其他星體內部提供了可能。
一個巴掌大的DAC（金剛石壓腔）所產生的神奇效果，帶領我們進行了一場偉大的「地球深部之旅」，拂去了高壓神秘的面紗，窺探了原子的美妙聯姻。
如果我們能像電影《地心搶險記》中的各位英雄一樣乘坐地下飛船去一探究竟，我們能看到什麼？小編沒有阿米爾天馬行空的奇思妙想，僅僅能講述它們是什麼。
如圖2所示，簡單來講，地球分三層，自地表至地心分別是地殼（crust）、地幔（mantle）、地核（core）。地幔又分上地幔（upper mantle）、過渡帶（transition zone）、下地幔（lower mantle）；地核又分外核（outer core）、內核（inner core）。
圖2、（a）地球內部分層與對應的深度、壓力）
圖2（b）整個地球動態循環過程（圖片來自於Tr?nnes Mineralogy and Petrology, 2010）
想要省點力氣進入地球內部，就像電影中描述的一樣從洋殼進入。洋殼只有十幾公里，比大陸地殼薄很多。進入上地幔，物質組成相對變得簡單一些，其中可能大家最熟悉的兩種重要礦物是橄欖石和石榴石，它們在地表也可見到，並且兩種礦物的顏色都很漂亮，為很多人所喜愛，不過不怎麼值錢…
把淺部的物質放進DAC中壓一壓，就能模擬不斷深入地球內部看到的物質變化。不過，在過渡帶，事情變得複雜起來，物質的組分和結構都發生了巨大變化，對地球內部的運行也會有顯著影響，很多深源地震都來源於此。我們很少能在地表發現來自這麼深的地方的物質，但會有一些深部的金剛石被運回至地表，在金剛石內部還記錄著地球深部的樣子，能驗證一部分高壓實驗結果或不幸地推翻它們（Pearson et al., 2014; Smith et al., 2016）。
關於下地幔的框架，除了地震波的觀測，基本都是靠高壓實驗來模擬的。相比於過渡帶，下地幔要稍顯「平靜」，物質組成也相對簡單一些，但在局部存在一些複雜的異常。下地幔最主要的物質叫布里奇曼石，是橄欖石在下地幔壓強下的分解產物之一。
壹柒不知道：里奇曼石最早發現於高壓實驗，但還沒有找到來自地球內部的布里奇曼石。國際礦物委員會規定，只有在自然界發現的礦物才能命名，所以這個物質半個世紀以來一直沒有礦物名字，只是按照其結構特徵予以命名。直到在衝擊隕石中發現了它，才被命名為布里奇曼石（Tschauner et al., 2014），以紀念布里奇曼這位高壓科學先驅，他也是目前高壓領域唯一一位諾貝爾獎得主。
地核，則完全不同於上部的物質。組成複雜的地殼、地幔主要都是硅酸鹽，而地核的主要成分是單質鐵。外核為液態，內核為固態。液態外核使地球周圍具有磁場，保護著地球上的生命。隨著時間的推移，地球不斷冷卻，液態外核會漸漸凝固，地磁場減弱，生命也將面臨凋零。在地核和下地幔的交界處，物質組成複雜多樣、溫度跳躍；在此區域觀測到很多地震波異常，關係到整個地球內部的運行和演化，這裡還有很多未解之謎等待破解。
二．室溫超導的答案
高壓科學研究始於地球科學，但現今其研究範圍已延伸至物理、化學、生物醫學等各個領域，其研究成果應用也是眼花繚亂、不勝枚舉，超導材料便是其中最耀眼、最令人神往的一顆明星。地球的發展離不開能源的支持，許多戰爭的根部原因不外乎對能源的侵佔和掠奪。而超導意味著能源零損耗，可想而知其意義。
壹柒不知道：超導，即一定低溫條件下的零電阻現象。換句話說，就是沒有無謂的能源損耗。一種超導材料只有低於一定的溫度（臨界溫度，Tc）才能出現超導態。而這個溫度一般很低，距離科學家的終極夢想——室溫超導還很遙遠。
1911年，荷蘭萊頓大學的昂內斯發現的第一個超導體汞的臨界溫度僅為4.2 K（-268.98 °C），此後的一百年間，學界掀起了提升超導體Tc的浪潮。中國科學家在這次浪潮中堪稱弄潮兒，最為著名的便是銅氧超導體和鐵基超導體兩類物質。銅氧超導體的Tc超過了液氮的溫度，極大降低了超導成本，使超導從實驗室走向了大千世界。
但這樣的溫度畢竟還很低，應用有限。同時，攀登這座科學高峰的後半程更是舉步維艱，每向上一步都著實不易。
在這個節骨眼，高壓被推了出來——把一小撮物質放進兩顆金剛石中間壓一壓，超導會來么？答案是：會的。
最令人激動的實驗結果之一是2015年在國際頂級學術期刊《自然》上發表的文章（Drozdov et al., 2015）。將我們熟知的具有臭雞蛋氣味的硫化氫（H2S）塞進了兩顆金剛石之間：在～100 GPa時觀測到了超導現象；在～155 GPa時，Tc更是達到了203 K（-70 °C），這比地球自然環境能達到的最低溫度還要高！
同樣有趣的是，隨後的實驗表明高壓下超導態的物質已不再是H2S，而是H2S分解產物之一H3S（Einaga et al. 2016）！理論計算也證明了高於43 GPa，H2S就會分解為H3S和和S（Duan et al., 2015），高中學的那套經典的八隅規則在高壓下失效了！
你可能會覺得Tc超過了自然環境最低溫度，但是150 GPa的極端條件很難達到，這並沒有什麼用。這話只說對了一半。如此極端條件下的超導體確實無法應用到現實生活中，但卻意義非凡。
壓強高，那就降下來嘛。這絕不是一句空談。小編去年在參加國際會議的時候有幸聽到了一位大佬的報告，他們在高壓下合成了一種新的物質，具有與H3S相近的Tc，但合成該物質、出現超導態的壓強卻低得多，更為重要的是它在正常環境中依然可以存在！由於這部分成果還沒有在學術期刊中正式公開發表，小編不便透露過多。
但小編相信，其成果上個頭條，問題不大～
三．不存在的物質
之前說到，在H-S體系中，原本最穩定的H2S在高壓下變得不穩定，會分解為H3S和S。後續更為細緻的理論計算和實驗還得到了更多可以在高壓下存在的非經典化學計量比的硫氫化合物：H4S3、H3S2、H2S3、H2S2、HS2（Li et al., 2016; Kruglov et al. 2017）。
霸道、神奇、不講道理。這看似毀三觀的現象在高壓下並非個例。
食鹽（NaCl）是生活中最常見的調味料，也是Na-Cl體系中穩定的物質。在高壓下，NaCl並非該體系中唯一穩定的物質，高壓實驗成功合成了Na3Cl2和NaCl3，還有Na2Cl、NaCl7被理論計算預測出來可能在高壓下穩定存在（Zhang et al., 2013）。
這樣的例子數不盡、道不完，高壓似一股神秘的力量，將不同的原子擠在一起，創造了一個「形形色色」、「光怪陸離」的非凡世界。
可是，高壓能做的遠不止這些。
高壓使原子核、電子擠在一起，相互作用的程度超出了我們原有的認知範圍，由此可以產生很多新奇的性質，前文提到的壓致超導便是一例。原子之間的距離不斷縮短，可以使導電性增強，因此高壓可以使不導電的絕緣體變成導電的，使原本導電的金屬的導電性更強，這也是壓致超導的基本思路之一。
但是，這並不是全部的故事。
2009年《自然》雜誌發表了吉林大學馬琰銘教授的科研成果，首次觀察到金屬鈉（Na）在～200 GPa下由不透明狀態變為透明狀態，也就是說，由金屬性質變為絕緣體（Ma et al., 2009）。這項成果完全顛覆了前述的傳統高壓理論。在極高壓強條件下，原子之間的距離縮短使電子密度增加，但狹小的空間也使原本可以自由移動的電子不得不被束縛在一定的空間，從而失去了金屬性。
至此，科學家又發現了一塊拼圖，使本就無比精彩的高壓世界又多了一個維度。
「惰性氣體元素」，這個詞大家並不陌生，是「不太願意」和其他化學元素形成化合物的一類元素，同時學界也一度認為最為惰性的氦（He）只能孤零零的一個分子存在著。
然而，當眾望所歸地祭出了殺手鐧——高壓，結果呢？
2017年《自然?化學》雜誌發表了一項突破性成果，在～113 GPa條件下，非常「活潑」的Na與非常不「活潑」的He形成了穩定的化合物Na2He（Dong et al., 2017）。在這個化合物中，He放飛了自我：定量分析表明，極高的壓強迫使He得到了0.15個電子。至此，最怠惰的He也榮耀脫單！所以，這貨也是在裝高冷，原來不是不能愛，只是條件不夠啊~
圖3Na
2He結構的晶體模型，其中紫色原子為Na，綠色立方體為He，紅色區域顯示了電子對所在區域
（圖片來自http://hpstar.ac.cn/contents/27/6667.html）
這項成果最初非正式發表於2013年，正式發表於2017年。這中間的時間都一直用來說服審稿人，足見這項成果給學界的衝擊有多大～
不過話說回來，
去年，最怠惰的He都脫單了…
今年，你沒有理由了～
參考文獻
Dong, X. et al. (2017). Nat. Chem., 9(5), 440.
Drozdov, A. P. et al. (2015). Nature, 525(7567), 73.
Duan, D. et al. (2015). Phys. Rev. B, 91(18), 180502.
Dubrovinskaia, N. et al. (2016). Sci. Adv., 2(7), e1600341.
Einaga, M. et al. (2016). Nat. Phys., 12(9), 835.
Kruglov, I. et al. (2017). Phys. Rev. B, 96(22), 220101.
Li, Y. et al. (2016). Phys. Rev. B, 93(2), 020103.
Ma, Y. et al. (2009). Nature, 458(7235), 182.
Pearson, D. G. et al. (2014). Nature, 507(7491), 221.
Smith, E. M. et al. (2016). Science, 354(6318), 1403-1405.
Tr?nnes, R. G. (2010). Miner. Petrol., 99(3-4), 243-261.
Tschauner, O. et al. (2014). Science, 346(6213), 1100-1102.
Yang, J. et al. (2015). Sci. Rep, 5, 17188.
Zhang, W. et al. (2013). Science, 342(6165), 1502-1505.
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