「太陽風」吹起來的「氫氣球」

　　來源：中科院之聲

　　最近，「氫氣球」在學術界突然火了起來，《自然-材料》剛剛發文，報導了一篇關於「氫氣球」的研究。借著這波熱度，這裡也給大家科普一下「氫氣球」的科學原理。

　　當然，如果只是街頭小巷賣的普通乳膠氫氣球，別說吸引那些專家們的目光，只怕正在讀這篇文章的您也不會太感興趣。

　　但是，如果是在高強度的鋼鐵中，甚至是在硬度極高的鎢合金中吹出來的「氫氣球」呢？

　　「太陽風」在金屬中吹出來的「氫氣球」，了解一下？

「太陽風」在金屬中吹出「氫氣球」

　　太陽每日東升西落，大家肯定都很熟悉。但你可知道，太陽看似是一個大火球，可實際上，支持它發光發熱其實是核聚變。換句話說，太陽就像一個持續爆炸中的氫彈。這顆大氫彈會不斷地輻射出太陽風，其主要成分就是高速運動的帶電氫離子。不過，有地球大氣層的阻擋，太陽風通常很難影響到地表上的我們。

　　可是，若是有一天，烈日天火能夠為人類所用呢？

　　在希臘神話中，普羅米修斯從宙斯手中盜得天火，為人類世界帶來火焰的溫暖與光明。而如今，這個神話正在一步步走向現實。在安徽合肥，科研人員建造了一座名為「東方超環」的可控核聚變實驗裝置。私下裡，我們也稱它為「小太陽」。

　　盜天火併不是一件簡單的事情。和天上的太陽一樣，「小太陽」也會不斷的輻射出「太陽風」。為了抵擋「太陽風」中高速運動的粒子，研究人員們設計了一層鎢金屬裝甲，將「小太陽」緊緊包裹。

「小太陽」核聚變反應堆當中，氫離子「太陽風」與鎢裝甲的親密接觸

　　但後來人們發現，「太陽風」雖然能夠被金屬裝甲有效阻擋，但它同樣給金屬裝甲帶來了難以修復的損傷。例如，「太陽風」的中的高能粒子會把金屬原子撞走，從而在裝甲中形成許許多多納米級別的孔洞。而氫作為「太陽風」的主要成分，很容易在這些孔洞中聚集並形成氫氣。在氣壓的作用下，氫會將孔洞越擠越大，最後像吹氣球一樣將金屬脹裂。

高能粒子輻照下，金屬中產生的納米孔洞，圖片摘自Materials 2016， 9（2），105； https：//doi.org/10.3390/ma9020105

　　這些「太陽風」吹出來的「氫氣球」顯然不是我們希望看到的，研究人員也因此對其對進行了大量研究。但是，人們對氫在納米孔洞中的一些基本性質，例如氫在孔洞內如何分布、孔洞對氫的吸引有多強、能容納多少氫、會帶來多大的氫氣壓等問題，卻依然未能給出答案。

　　要知道，「氫氣球」一開始只有納米（十億分之一米）大小，中間的氫原子甚至不足0.1納米，即使用最先進的顯微鏡，也很難看清他們的具體結構。並且，「氫氣球」內壁上金屬原子的不規則排布，以及多個氫之間的互相影響，也極大地提升了計算機模擬的複雜度，給相關研究帶來了巨大的挑戰。

　　為了攻克以上這些難題，中科院合肥研究院固體物理研究所劉長松研究員課題組對這個問題進行了歷時近五年的探索，在超級計算機上進行了數萬次模擬後，終於總結出了納米孔洞俘獲氫的基本規律。

納米孔洞中「氫氣球」示意圖

　　通過分析氫的運動軌跡，研究人員發現氫最喜歡吸附在納米孔洞的內壁上。而內壁上金屬原子的排列雖然不規則，但根據近鄰金屬原子的缺失情況，可以將吸附位置歸納為五類，對應五個不同的吸附能級。氫會按照一定順序逐漸佔據這些吸附位置。

　　內壁上的氫有些社交恐懼症，對其他的氫總是有些排斥，喜歡保持距離。因此，當內壁被很多氫佔據時，部分氫原子便受不了擁擠，逐漸被擠到了空曠的孔洞芯部。然而，來到芯部的氫失去了可以依靠的內壁，只能兩兩形成氫分子，相互扶持。這些氫分子對之間也是相互排斥的，隨著芯部氫分子越來越擁擠，氫氣泡的壓強也就越大，從而將孔洞越擠越大。

　　基於這些規律，研究人員建立了一個普適的定量模型，推導出了一個簡單的物理公式，從而解決了長期以來無法準確描述和預測「氫氣球」結構與能量的基本問題。在這個物理模型的幫助下，研究人員對「太陽風吹氣球」這一現象做出了能夠被實驗驗證的可靠預測。這項研究不僅能幫助我們理解現有的「氫氣球」實驗結果，也對設計新的抗氫損傷金屬材料意義重大。這些金屬材料不僅會被用在未來的「小太陽」裝甲中，為我們提供幾乎無限的清潔能源，也會在氫能源汽車以及航空航天等領域中發揮至關重要的作用。

　　相關論文以長文形式，發表在材料領域權威期刊《自然-材料》上。論文鏈接： https：//doi.org/10.1038/s41563-019-0422-4 。

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