据新华社电 常温常压下，氢以气体状态存在。高压下，氢结晶为固体。而超高压下固体氢的原子排列方式一直是未解之谜。
5月14日，国际权威学术期刊《自然》发表一项重大突破：由中国科学家领衔的国际团队用X射线纳米探针首次“看见”固体氢的复杂晶体结构。这是目前世界上固体氢的最精细结构。
压力的升高，使氢的晶体结构趋于复杂。“气体氢的分子随机散落在空间中。随压力升高（5GPa），氢分子像跳棋子一样层层排列，形成固体氢。压力再升高（212-245GPa），一部分氢原子会形成蜂窝状排列，于是固体氢呈现更复杂的结构：跳棋子和蜂窝间隔着层层叠起。”论文第一作者、北京高压科学研究中心研究员吉诚说。
为何要研究固体氢？
为什么要“看见”固体氢？高压物理学家、中国科学院外籍院士毛河光对此表示：“金属氢具有极高的能量密度，是氢核聚变的理想原料，应用潜力、战略意义巨大，被称为‘高压物理的圣杯’。想要找到金属氢，研究固体氢是必经之路。”
“晶体结构的研究应是金属氢研究的核心。因为金属氢的奇异特性取决于其特殊的原子排列。”毛河光说，“看见”固体氢对理解金属氢的形成路径与机制提供了关键依据。
如果说金属氢是“圣杯”，那么高压下固体氢结构就好比“圣杯”的杯座。此次中国科学家率先“看到”精细结构的固体氢，恰处于气体氢变成固体氢之后、金属氢形成之前的高压状态。
毛河光介绍，诺贝尔物理学奖得主维格纳等人1935年预测，氢在极高压下会变为金属氢。后有物理学家提出，让氢得以金属化的压力高达500GPa——这相当于一架停在针尖上的巨型喷气式飞机对针尖施加的力。
“观测金属氢难度极大，因为氢金属化所需的超高压条件极为苛刻。看见固体氢的晶体结构，目前用金刚石施压是唯一办法。将两颗超锋利的金刚石尖对尖放置，挤压放在中间的氢分子。当加压到数百GPa，用极亮的X光穿透金刚石照射在高压氢上，X光与高压氢相互作用，就好比给固体氢‘拍照片’，得以窥见原子如何排列。”吉诚说。
“给氢加压”难在哪？
“给氢加压”听上去简单，但给氢加压不是按一下按钮，压力就升上去了。这是一场与头发丝较劲、与氢捉迷藏的战斗。
吉诚最怕听到的声音，是清脆的一声“啪”响。这意味着，金刚石又爆炸了。“金刚石锋利的尖只有头发丝直径的四分之一。有时一加压，氢气还没变成固体，就已经跑掉。还有的氢气虽没跑掉，但钻进了金刚石里，金刚石又会碎掉。”
研究氢，是勇敢者的游戏。这意味着与无尽的失败为伴。吉诚说，他特别敬佩的法国一个国家实验室的研究团队，1996年发表了一篇震惊学界的论文之后，仍坚持冲击氢晶体结构研究数十年，再难有成果问世。“可正因氢够难，所以值得。”从选择研究氢结构的那一刻，吉诚就做好了10年颗粒无收的准备。
而等待“看见”固体氢的复杂晶体结构，吉诚用了12年，12年来，他花了两百多万元科研经费，悉心挑选了280多颗钻石（金刚石），全部献给了该项研究。如今，陪伴他一次又一次失败的金刚石编着号、贴着标签，躺在一个个小盒子里。
“刚发的这篇《自然》，实验用掉了80多颗碎钻。上一篇《自然》用掉了200多颗碎钻。这种样品，很费钱，我们用起来很珍惜。”吉诚说。
吉诚觉得，人有两种活法。一种是来到世上，把许多东西摸个遍，还有一种是扎进一个领域，把一个简单纯粹的东西穿透。“我适合后者。因为我不聪明，只有一根筋，但我经得住失败。”