在我們對(duì)化學(xué)元素的認(rèn)識(shí)中，金（Au）一直是個(gè)“孤僻”的角色。它是一種化學(xué)惰性很高的金屬，很少與其他元素反應(yīng)。而氫（H），作為宇宙中最輕、最豐富的元素，卻可以與許多金屬形成金屬氫化物。但直到近年來(lái)，科學(xué)家才開始深入探索金與氫之間的化學(xué)作用。

在一項(xiàng)新的研究中，一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在一次原本要探究碳?xì)浠衔?/strong>在極高壓力和溫度下形成金剛石所需的時(shí)間的實(shí)驗(yàn)中，意外合成了氫化金。這是科學(xué)界首次合成金與氫的固態(tài)二元化合物。這一結(jié)果讓人們得以窺探在某些行星或氫聚變恒星深處那樣的極端環(huán)境中，化學(xué)規(guī)律會(huì)如何發(fā)生改變。

極端條件下的意外發(fā)現(xiàn)

最初，研究人員想要用歐洲X射線自由電子激光器（European XFEL），來(lái)觀察被嵌入了金箔的碳?xì)浠衔镌跇O端高壓高溫下會(huì)發(fā)生什么。加入金箔的目的是為了讓金吸收X射線，并加熱吸收能力較弱的碳?xì)浠衔铩?/p>

研究人員設(shè)計(jì)了一系列高壓高溫實(shí)驗(yàn)：他們利用金剛石壓腔，將碳?xì)浠衔飿悠穳嚎s到比地幔內(nèi)部還要高的壓力，再用X射線脈沖反復(fù)照射樣品，使樣品溫度加熱至2200開爾文（K）。接著，他們記錄了X射線的散射信號(hào)，并對(duì)散射模式進(jìn)行了分析。

正如預(yù)期的那樣，散射模式顯示，碳原子的確重組為金剛石結(jié)構(gòu)。但與此同時(shí)，他們還捕捉到了意想不到的異常特征——當(dāng)壓力超過(guò)40 GPa（約40萬(wàn)倍大氣壓）、溫度高于2200 K時(shí)，氫原子居然與金箔中的金原子結(jié)合，形成了一種新的化合物——氫化金。

進(jìn)一步分析顯示，在這種極端條件下，氫化金中的氫處于一種稠密的“超離子態(tài)”。在這種狀態(tài)下，金原子位置固定不動(dòng)，而氫原子則可以在金晶格的間隙中自由流動(dòng)，因而大大提高了氫化金的導(dǎo)電性。

這是一項(xiàng)令人意外的發(fā)現(xiàn)，要知道，金在化學(xué)上以惰性著稱，但新研究表明，在極高的壓力和溫度下，它竟能與氫結(jié)合形成穩(wěn)定的氫化物。不過(guò)，研究人員表示，這種穩(wěn)定性只存在于極端條件中，一旦冷卻，金與氫便會(huì)分離。

（圖/Frost et al.）

在壓力超過(guò)40GPa、接近金的熔點(diǎn)時(shí)，金原子會(huì)排列成密排六方結(jié)構(gòu)，形成化學(xué)式為AuHX的氫化金化合物。隨著壓力從40 GPa升高到80 GPa，晶格中氫的比例會(huì)逐漸增加，“x”會(huì)從0增加到接近1。一旦將溫度降回室溫，這種特殊的高溫結(jié)構(gòu)會(huì)消失，金與氫分離，金原子恢復(fù)到原本穩(wěn)定的面心立方結(jié)構(gòu)（fcc）。

為稠密氫研究開辟新窗口

這一成果為研究稠密氫開辟新途徑，也為探索全新的化學(xué)反應(yīng)提供了契機(jī)。由于氫對(duì)X射線的散射效應(yīng)很弱，因而通常來(lái)說(shuō)這一效應(yīng)難以被直接觀測(cè)。但在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，超離子氫與更重的金原子相互作用，使研究人員得以通過(guò)金晶格跟X射線的散射，來(lái)間接觀察氫的散射行為。

換言之，氫化金為研究稠密的原子氫提供了一種全新方法，這種方法也可能適用于其他難以直接實(shí)驗(yàn)的環(huán)境。例如，某些行星的內(nèi)部是由稠密氫構(gòu)成的，所以在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)其進(jìn)行研究有助于揭示這些星球的奧秘；它還可能為理解太陽(yáng)等恒星內(nèi)部的核聚變過(guò)程提供新的見解，并推動(dòng)地球上可控核聚變能源技術(shù)的發(fā)展。

#參考來(lái)源：

https://www6.slac.stanford.edu/news/2025-08-04-slac-researchers-forge-unprecedented-gold-compound-extreme-heat-and-pressure

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202505811

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory