这里也给大家科普一下“氢气球”的科学原理。

近期，“氢气球”成为学术界热议的话题，《天然-材料》杂志也刚刚发表了一篇相关文章。这股热潮之下，我们来聊聊“氢气球”背后的科学原理。

这里所指的并非街头巷尾随处可见的乳胶氢气球，那样的氢气球恐怕难以吸引学术界的目光，也无法激发你的深度兴趣。

想象一下，如果在高强度的钢铁之中，甚至在硬度极高的钨合金中制造出氢气球，会是什么样的景象呢？更令人惊奇的是，我们所说的氢气球是在“太阳风”的作用下，在金属内部产生的。

太阳每日西落，虽然我们都熟知其日常规律，但太阳内部的奥秘仍然令人着迷。实际上，太阳之所以能发光发热，是因为其内部的核聚变反应。换句话说，太阳就像一个持续爆炸的。这个巨大的不断释放出太阳风，其主要成分是高速运动的带电氢离子。但由于地球大气层的保护，太阳风一般无法影响到我们。

如果未来我们能够利用太阳的核聚变能量，那将是一项伟大的成就。在希腊神话中，普罗米修斯从宙斯手中盗得的天火为人类带来了温暖与光明。而今，科研人员正在安徽合肥制作一座名为“东方超环”的可控核聚变实验装置，我们私下称之为“小太阳”。

要对抗“小太阳”释放的“太阳风”并不容易。为了抵御高速运动的粒子，科研人员设计了一层钨金属装甲来包裹“小太阳”。“太阳风”中的高能粒子会对金属原子进行撞击，从而在装甲内部形成大量的纳米级孔洞。在这些孔洞中，氢原子容易聚集并构成氢气。在气压的作用下，这些氢气将孔洞越挤越大，最终导致金属破裂。

这些由“太阳风”吹出的“氢气球”并非我们所期望的，因此科研人员对其进行了深入研究。关于氢在纳米孔洞中的一些基本性质仍然未知，例如氢的吸附方式、吸附强度、每个孔洞能容纳的氢的数量以及产生的氢气压等。这些问题的解决对于理解氢气球的形成至关重要。

这些纳米级的“氢气球”即使使用最先进的显微镜也难以看清其内部结构。“氢气球”内壁上金属原子的不规则排列以及多个氢之间的相互作用极大地增加了研究的复杂性给相关研究带来了巨大的挑战。为了攻克这些难题中科院合肥研究院固体物理研究所的刘长松研究团队进行了近五年的持续研究并在超级计算机上进行了数万次的模拟终于总结出纳米孔洞吸附氢的基本规律。通过对氢气运动轨道的分析他们发现氢气倾向于吸附在纳米孔洞的内壁上。这些内壁上的金属原子虽然排列不规则但可以根据邻近金属原子的缺失情况将吸附位置分为五类对应五个不同的吸附能级。氢气会按照一定的顺序逐步占据这些吸附位置。内壁上的氢气分子间存在相互排斥的现象倾向于保持一定距离。因此当内壁被大量氢气占据时部分氢原子会被挤压到孔洞的中央形成氢气泡。但这些氢气泡在失去内壁的支持后两两形成氢分子相互排斥最终导致氢气球的压强增大孔洞扩张。根据这些规律研究人员建立了一个普适的定量模型推导出了一个简化的物理公式解决了长期以来无法准确描述和预测氢气球结构与能量的根本问题。这一研究不仅有助于我们理解现有的氢气球实验结果也为开发新的抗氢损害金属材料提供了重要的理论依据。这些金属材料不仅将在未来的“小太阳”装甲中得到广泛应用，为我们提供几乎无限的清洁能量，而且在氢动力汽车、航空航天等领域也将发挥至关重要的作用。它们将成为推动科技进步的重要力量，引领我们进入一个全新的时代。在这个时代，金属材料的卓越性能和多功能性将为我们带来更多的惊喜和可能性。无论是高效能的动力系统，还是高精度的航空航天设备，这些金属材料都将成为不可或缺的关键元素。