製備金屬氫是高壓物理學的聖杯，近幾年不斷有研究小組聲稱合成了金屬氫，但是在業內難以得到共識，主要是由於在極端條件下的測量手段匱乏，且測量結果準確性堪憂。日前，北京高壓科學研究中心開發的基於同步X射線輻射的微納聚焦探針能夠有效解決這一困難。
金剛石對頂砧：兩顆對頂金剛石，可產生高達數百GPA壓力
金屬氫是液態或固態氫在上百萬大氣壓的高壓下變成的導電體。導電性類似於金屬，故稱金屬氫。金屬氫內儲藏著巨大的能量，理論預測是室溫超導體和超流體，甚至可能是由未知的新物理機制操控的一種新穎的凝聚態。人們認為金屬氫的誕生將掀起科學技術領域的又一次革命，能夠有效解決能源問題：用金屬氫輸電，可以取消大型變電站而輸電效率在99%以上，可使全世界的發電量增加四分之一以上；用金屬氫製造發電機，其重量不到普通發電機重量的10%，而輸出功率可以提高幾十倍乃至上百倍。
但金屬氫的製備及其困難。1935年，諾貝爾物理獎得主尤金.維格納和物理學家希拉德.亨廷頓預測，氫在25GPa的高壓下會變為金屬氫。實際上，到目前，人類還未實現靜態高壓下金屬氫的相變，後來的研究認為金屬氫相變的壓力至少要達到500GPa。
北京高壓科學研究中心研究員李冰介紹，金剛石對頂砧壓機用兩顆頂對頂放置的金剛石相互施壓，可以產生約400GPa極限靜態壓力，這是達到如此高的靜態壓力的唯一手段。
但在金剛石對頂砧上進行氫結構的同步單晶X射線衍射測量十分困難。除了氫滲入導致數百顆鑽石“氫碎”之外，傳統使用的鎢錸等金屬封墊造成的干擾也十分棘手。
金剛石對頂砧：兩個鑽石中間放液態氫，需要密封墊封裝
由於氫的X射線散射截面是所有元素中最小的，因此衍射信號很弱，而採用金屬錸、鎢等做成的傳統封墊會形成強烈的干擾，即使運用最新一代同步輻射光源，利用X射線衍射法測量固態氫在百萬大氣壓以上的晶體結構也面臨巨大的挑戰。因此，曾有國外科學家斷言，此類實驗是不可能實現的。
為此，研究人員開發了一種用氧化鎂或立方氮化硼和環氧樹脂製成的複合材料封墊。由於氧化鎂或立方氮化硼是X射線衍射強度弱的材料，而環氧樹脂是非晶體，這種封墊產生的衍射信號極弱，用其將氫樣品封裝可以一舉兩得，既解決“氫碎”的問題，又解決了金屬封墊的信號干擾，使捕捉來自氫的微弱X射線衍射信號成為可能。
此外，研究小組通過運用高輝度亞微米聚焦X射線束（300納米）以及多通道准直器技術，在使用複合封墊的樣品中成功採集了從20GPa至250GPa的氫的X射線衍射資料，涵蓋了氫的第一、三及第四相。
這是首次在兩百二十萬個大氣壓以上實現了對固態氫第四相的晶體結構精確測量。北京高壓科學研究中心毛河光院士介紹，此項工作破解了長期困擾高壓氫研究中的最基本、最亟需解決的技術難題，將此前法國和美國科學家合作保持的壓力紀錄提高了一倍，為今後直接測量超高壓下固態氫以至金屬氫的晶體結構提供了一個切實可行的技術手段。相關成果發表在《自然》上。
