最近，“氫氣球”在學(xué)術(shù)界突然火了起來，《自然-材料》剛剛發(fā)文，報(bào)導(dǎo)了一篇關(guān)于“氫氣球”的研究。借著這波熱度，這里也給大家科普一下“氫氣球”的科學(xué)原理。

　　當(dāng)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(huì)太感興趣。

　　但是，如果是在高強(qiáng)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(fēng)”在金屬中吹出來的“氫氣球”，了解一下？

　　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(gè)大火球，可實(shí)際上，支持它發(fā)光發(fā)熱其實(shí)是核聚變。換句話說，太陽就像一個(gè)持續(xù)爆炸中的氫彈。這顆大氫彈會(huì)不斷地輻射出太陽風(fēng)，其主要成分就是高速運(yùn)動(dòng)的帶電氫離子。不過，有地球大氣層的阻擋，太陽風(fēng)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?yàn)槿祟愃�用呢�?/p>

　　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(gè)神話正在一步步走向現(xiàn)實(shí)。在安徽合肥，科研人員建造了一座名為“東方超環(huán)”的可控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。私下里，我們也稱它為“小太陽”。

　　盜天火并不是一件簡(jiǎn)單的事情。和天上的太陽一樣，“小太陽”也會(huì)不斷的輻射出“太陽風(fēng)”。為了抵擋“太陽風(fēng)”中高速運(yùn)動(dòng)的粒子，研究人員們?cè)O(shè)計(jì)了一層鎢金屬裝甲，將“小太陽”緊緊包裹。

　　但后來人們發(fā)現(xiàn)，“太陽風(fēng)”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(fù)的損傷。例如，“太陽風(fēng)”的中的高能粒子會(huì)把金屬原子撞走，從而在裝甲中形成許許多多納米級(jí)別的孔洞。而氫作為“太陽風(fēng)”的主要成分，很容易在這些孔洞中聚集并形成氫氣。在氣壓的作用下，氫會(huì)將孔洞越擠越大，最后像吹氣球一樣將金屬脹裂。

                                                           高能粒子輻照下，金屬中產(chǎn)生的納米孔洞，圖片摘自Materials

　　這些“太陽風(fēng)”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(duì)其對(duì)進(jìn)行了大量研究。但是，人們對(duì)氫在納米孔洞中的一些基本性質(zhì)，例如氫在孔洞內(nèi)如何分布、孔洞對(duì)氫的吸引有多強(qiáng)、能容納多少氫、會(huì)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(jìn)的顯微鏡，也很難看清他們的具體結(jié)構(gòu)。并且，“氫氣球”內(nèi)壁上金屬原子的不規(guī)則排布，以及多個(gè)氫之間的互相影響，也極大地提升了計(jì)算機(jī)模擬的復(fù)雜度，給相關(guān)研究帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

　　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(zhǎng)松研究員課題組對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了歷時(shí)近五年的探索，在超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了數(shù)萬次模擬后，終于總結(jié)出了納米孔洞俘獲氫的基本規(guī)律。

　　通過分析氫的運(yùn)動(dòng)軌跡，研究人員發(fā)現(xiàn)氫最喜歡吸附在納米孔洞的內(nèi)壁上。而內(nèi)壁上金屬原子的排列雖然不規(guī)則，但根據(jù)近鄰金屬原子的缺失情況，可以將吸附位置歸納為五類，對(duì)應(yīng)五個(gè)不同的吸附能級(jí)。氫會(huì)按照一定順序逐漸占據(jù)這些吸附位置。

　　內(nèi)壁上的氫有些社交恐懼癥，對(duì)其他的氫總是有些排斥，喜歡保持距離。因此，當(dāng)內(nèi)壁被很多氫占據(jù)時(shí)，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(nèi)壁，只能兩兩形成氫分子，相互扶持。這些氫分子對(duì)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(qiáng)也就越大，從而將孔洞越擠越大。

　　基于這些規(guī)律，研究人員建立了一個(gè)普適的定量模型，推導(dǎo)出了一個(gè)簡(jiǎn)單的物理公式，從而解決了長(zhǎng)期以來無法準(zhǔn)確描述和預(yù)測(cè)“氫氣球”結(jié)構(gòu)與能量的基本問題。在這個(gè)物理模型的幫助下，研究人員對(duì)“太陽風(fēng)吹氣球”這一現(xiàn)象做出了能夠被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的可靠預(yù)測(cè)。這項(xiàng)研究不僅能幫助我們理解現(xiàn)有的“氫氣球”實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也對(duì)設(shè)計(jì)新的抗氫損傷金屬材料意義重大。這些金屬材料不僅會(huì)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(huì)在氫能源汽車以及航空航天等領(lǐng)域中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。