气体能够变成固态甚至金属态吗？需要什么条件呢？

Answer 1

在人们一般认识中，总认为气态物质变不了固态，更不可能成为金属，再怎么压缩也还是气态。

其实这是一种错误认识，当压力温度到达一定幅度时，任何物质都会变态，也就是相变。

气态能不能变成固态，关键看温度和压力到了没到。

任何气体转固体只要温度足够低就能达到。如氧在-218°C就会凝固成固态，氮在-209.86℃成为固态，最轻的氢气，只要温度低于-259℃，就会转化为固态。

但氦的熔点最低，为-272.2℃，因此氦需要达到-272.2℃以下才能够成为固态。

低温是物质从气态或液态相变成固态的条件。但任何气体都可以相变成金属，这一点恐怕很多人就不清楚了。

气体变为金属非常困难，主要是需要极大的压力。而要在地球上获得如此大的压力很难很难。

要知道地心压力是地球上压力最大的地方，也是目前是人类无法触及的地方，那里的压力也只有360Gga，也就是360万个海平面大气压。

目前地球上最热门的气体转金属体研究课题就是制造金属氢。

氢是宇宙中丰度最大的元素，约占可见宇宙总体积的90%，质量的75%。

所有的恒星和较大的气态行星主要成分都是氢。

氢是宇宙中最轻的元素，密度最小，因此毫无疑问是“最气体”的气体了。

早在1935年，英国科学家贝纳尔就预言，在高压下，任何绝缘体都能够变成导电金属体，但不同材料转变为金属的压力不同。

而金属氢，是人们认为最难获得的一种材料。

科学家们预测，制造出金属氢可能需要25万个大气压。但后来发现这点压力远远不够。

各国在实验室里面制造出了100万个大气压、200万个大气压，但金属氢依然没有出来。

由此人们把能够制得金属氢视为“科学界的圣杯”。

科学界为此前赴后继的经过了80多年努力，经历了无数次试验。

终于在2017年1月，美国哈佛大学物理学家艾萨克·席维拉团队宣称制造出了第一块金属氢。这个成果刊登在2017年1月26日《科学》（Science）杂志上。

制取的方法是将氢放在液态氦里形成固态氢，然后将极少量温度为-265℃固态氢放在金刚石的砧面，将两个尖尖的金刚石对压。当压力高到495Gpa时，奇迹出现了：原本黑色的固态氢变得有了金属光泽，各种监测指标呈现出金属氢性质。

这块制得的金属氢有多大呢？

从钻石的砧面大小我们可窥一斑。两个钻石对压的砧面直径为50微米，将固态氢夹在两个钻石中间使劲压，用红外光测量氢的反射率，以判断其是否金属化。

当反射率达到0.91，砧面的氢出现了金属光泽，压力为495Gpa，也就是495万个海平面大气压。

人的一根头发直径约80微米，而这块金属氢只有50微米，你说有多大？

遗憾的是这块金属氢仅保持了一个月左右就消失了。

2月22日，当艾萨克团队尝试用低功能激光器再次测量这块宝贝的压力时，他们听到了极轻微的“卡嗒”声，但这“轻微”对科学团队来说是惊心动魄的。

响声是一块钻石碎为齑粉时发出的，一切顷刻间就化为了乌有。艾萨克表述：我的心沉到了谷底。

由此，这块金属氢是不是存在过，变得颇有争议。如果要证实这一点，就要重新做出一块来，或者更大一些更好。

但说说容易，做起来何其难？要知道为做这一点点金属氢，全世界科学家耗费了多少钻石？

为啥大家热衷于开发金属氢呢？

首先，氢元素在宇宙中存在太多了，海水中可以大量提取。

其次，金属氢的功能很多。

比如可以做成“磁笼”，对等离子体进行约束，为受控核聚变解决一个重要工具；

金属氢有超导性能，制造发电机、磁悬浮提升的效率不是以倍算，而是数十倍数百倍；

用金属氢输电可以不要变电站，输电效率达到99%以上，电力总量在不增加发电基础上可提升25%；

作为燃料可以缩小体积，增强功率，对于发射火箭、用于航空、汽车动力都是最清洁高效的能源；

金属氢内存储着巨大能量，比TNT炸药大40倍，在军事上可以开发出许多新武器，制造的炸弹相当于核弹，却毫无环境污染。

近几年，一些国家纷纷宣称已经做出了金属氢。

法国、英国都宣称做出了金属氢，其做法都与美国艾萨克团队差不多，通过钻石砧在巨大的压力和低温下进行的，这似乎已经成为一个标准。

但中国却另辟蹊径，宣称通过通过高温高压制得了金属氢。

《科技日报》的一则消息称：

记者从中国科学院合肥物质科学研究院获悉，该院固体物理研究所极端环境量子物质中心团队在极端高温高压条件下成功获得了氢和氘的金属态。相关研究成果日前发表在国际重要学术刊物《先进科学》上。这是固体物理研究所量子中心研究团队继成功合成流体金属氮之后，在轻质元素高压研究上取得的又一重要突破。

这则消息发表于2019年12月2日。

这种方式似乎是模拟了木星环境来制造金属氢。

但不管怎样，金属氢的“科学圣杯”依然存在。

现阶段金属氢试制还处于实验室尖端开发过程，其花费的代价无法估量。要真正把金属氢推上一个民用阶段，看来还需要一个漫长的过程。

在地球上，金属氢似乎是一个极其稀罕之物，但在太阳系就太多了。

除了几个类地行星，也就是水星、金星、地球、火星，几个巨大的气态行星~木星、土星、天王星、海王星上，氢元素占据了绝大部分。

太阳系最大行星~木星和土星，内部结构就是以液态氢、金属氢为主。

木星半径约71500公里，从大气层进入5000公里深处，气态氢就相变成为液态氢，那里的温度达到数千度，压力达到100Gpa~200Gpa以上。在深入进去，压力越来越大，温度越来越高，液态氢向金属氢相变。

到了25000公里深处，温度达到上万℃，压强达到400Gpa到数千Gpa，液态氢相变成金属氢，一直到木星的核心。

木星核心质量约十几个地球，半径约1万公里，那里的温度高达4000Gpa，温度达到30000℃以上。

由此可见，木星上的金属氢厚度至少达到3~4万多公里，相当一两百个地球质量。

土星比木星小一些，其结构也和木星差不多。研究预测，土星核心有一个半径1万公里的岩石内核，上面包裹着5000公里的冰层，冰层上面包裹着8000公里厚的金属氢，再上面就是液态氢。

这些星球虽然金属氢泛滥，但却似乎与人类无关，至少在可预见的未来，人类无法在木星土星上落脚。

如果到了有能力在木星上开采金属氢的那一天，或许人类的科学水准早已经摒弃了用金属氢的时代。

其实行星的这种压力在宇宙中还是小巫见大巫，太阳中心压力就达到3000万Gpa，比太阳大很多的恒星，中心压力也比太阳大很多。

而一切恒星中心压力远远比不上白矮星、中子星的引力压力了。

当太阳8倍质量以下的恒星死亡后，中心会坍缩成一个白矮星，这个白矮星只有地球大小，却有太阳质量的0.5到1.4倍，上面的物质密度达到10吨/cm³；

当一个太阳8倍以上40倍以下的大质量恒星死亡时，会发生超新星大爆炸，中心会坍缩出一个中子星，这个中子星质量达到太阳的1.44倍到 3倍，半径却只有10公里左右。

任何物质，包括气体等所有我们地球上认知的物质，在这两种星球上都成了一种状态。

这种状态物质已经不能用气态、液态、固态、等离态来形容了，也不是波色~爱因斯坦凝聚态或费米子凝聚态，完全超乎我们目前认知的所有物质形态，科学家们把它们叫做简并态。

白矮星是电子简并态物质，中子星为中子简并态物质。

这两种物质是遵循泡利不相容原理存在的物质。

泡利不相容原理认为，有一些粒子，如电子、中子、质子等具有排他性，它们不能占据在同一个轨道位置，就像一群小孩玩耍，他们靠在一起就会推推搡搡，每个人都把身边的孩子赶走。

因此白矮星、中子星是靠电子、粒子的微观排斥力支撑着巨大的引力压力。

这就是简并压。白矮星、中子星依靠这种压力顶住引力压力，使自己保持平衡状态。质量一旦突破了某种临界点，它们就会继续坍缩。

研究认为，中子星的压强有10^28地球大气压，也就是亿亿亿Gpa，是地球地心压强的30万亿亿倍，太阳中心压力的3亿亿倍。

在白矮星上，物质被压缩成1立方厘米密度为10吨左右；中子星上1立方厘米密度为20亿吨左右。

因此，气体要变成固体并不难，难的是变成金属。

到了一定低的温度气态就会变成固态，到了一定高压一切都会相变成金属态，而压力更大就连金属态也没得做了，变成电子简并态；电子简并态达到钱德拉塞卡极限就会成为中子简并态。

而中子简并态到了奥本海默极限，就只有变成黑洞。黑洞是顶级天体，什么态也没有了。

钱德拉塞卡极限是1.44个太阳质量，奥本海默极限约3.2个太阳质量。

只不过在地球上，要制造特别巨大的压力很难很难而已，因此要让物质向更高层次相变就绝非易事。

Answer 2

气态是可以变成固态的，通过增加压强的方式就可以实现，但是并不是所有的气态增加了压强之后变成的固态都能够稳定，因为在自然界之中有的物质就是气态，有的物质就是固态，这是天生的。

Answer 3

能，需要的条件比较严苛，需要极高的压力和极低的温度，固液气三态可以在一定的条件下进行转化，气体只需要在高压低温条件下能能够变为固态。

Answer 4

可以变成气态和金属态。需要大气压强到达一定的条件就可以实现。