在極端高溫和高壓下，金與氫意外結合

在我們對化學元素的認識中，金（Au）一直是個“孤僻”的角色。它是一種化學惰性很高的金屬，很少與其他元素反應。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，科學家才開始深入探索金與氫之間的化學作用。

在一項新的研究中，一個國際研究團隊在一次原本要探究碳氫化合物在極高壓力和溫度下形成金剛石所需的時間的實驗中，意外合成了氫化金。這是科學界首次合成金與氫的固態二元化合物。這一結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境中，化學規律會如何發生改變。

極端條件下的意外發現

最初，研究人員想要用歐洲X射線自由電子激光器（European XFEL），來觀察被嵌入了金箔的碳氫化合物在極端高壓高溫下會發生什么。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氫化合物。

研究人員設計了一系列高壓高溫實驗：他們利用金剛石壓腔，將碳氫化合物樣品壓縮到比地幔內部還要高的壓力，再用X射線脈沖反復照射樣品，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，并對散射模式進行了分析。

正如預期的那樣，散射模式顯示，碳原子的確重組為金剛石結構。但與此同時，他們還捕捉到了意想不到的異常特征——當壓力超過40 GPa（約40萬倍大氣壓）、溫度高于2200 K時，氫原子居然與金箔中的金原子結合，形成了一種新的化合物——氫化金。

進一步分析顯示，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”。在這種狀態下，金原子位置固定不動，而氫原子則可以在金晶格的間隙中自由流動，因而大大提高了氫化金的導電性。

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

（圖/Frost et al.）

在壓力超過40GPa、接近金的熔點時，金原子會排列成密排六方結構，形成化學式為AuHX的氫化金化合物。隨著壓力從40 GPa升高到80 GPa，晶格中氫的比例會逐漸增加，“x”會從0增加到接近1。一旦將溫度降回室溫，這種特殊的高溫結構會消失，金與氫分離，金原子恢復到原本穩定的面心立方結構（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反應提供了契機。由于氫對X射線的散射效應很弱，因而通常來說這一效應難以被直接觀測。但在這項實驗中，超離子氫與更重的金原子相互作用，使研究人員得以通過金晶格跟X射線的散射，來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驗的環境。例如，某些行星的內部是由稠密氫構成的，所以在實驗室中對其進行研究有助于揭示這些星球的奧秘；它還可能為理解太陽等恒星內部的核聚變過程提供新的見解，并推動地球上可控核聚變能源技術的發展。

#參考來源：

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

#圖片來源：

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