氢在科学历史上一直都给人们以惊喜，氢是自然界最简单的原子，是宇宙最早形成的元素，也是宇宙的主要组成元素。科学家从来都偏爱简单，因此氢一直受到科学家的青睐。历史上最伟大的科学家如玻尔、佐墨菲尔德、斯特恩、海森堡、泡利、薛定谔、狄拉克、尤里、拉比等等都深深迷恋着氢原子。今天氢仍然有许多秘密没有被人类认识，尤其是最近10年发现氢气的生物学效应开始引起生物医学的关注，因为这种简单安全的气体分子可能会对医学产生革命性影响。

科学家最近研究发现，在极端压力下，氢与石墨烯具有惊人的相似之处。这一研究成果是12月份《化学研究述评》的封面推荐文章。在正常大气压的200万至350万倍压力条件下对氢的变化进行了观察。出人意料的是，在极端高压条件下氢转化成了单层片状结构，6个氢原子形成的氢环的单层片状结构，这种结构类似石墨烯的结构，与多年前科学家的预测大相径庭。

氢是宇宙中最丰富的元素。氢的结构简单得出奇——每个氢原子由一个单电子构成。玻尔正是利用氢原子为模型，提出了了电子轨道的原子结构理论，使人类第一次认识到原子是类似太阳系一样的结构。量子力学诞生时，氢成了化学键理论的试验场。科学家根据量子力学理论推测，极端高压条件下氢会变成像金属一样光泽且导电性强的物质。

这是一种新的物质形态，这种状态的氢通常存在于大型行星或太阳内核之中，分子分离成单原子，电子的行为特征像金属电子一样。早在80多年前，这种状态的氢首次在理论中被提出。从40多年前开始，科学家们一直在努力尝试再造这种状态的氢，但均未能成功。此次英国爱丁堡大学科学家利用钻石对顶砧对氢实施压缩到前所未有的高压状态，从而证实了这种罕见的“金属态氢”的存在。“金属态氢”状态不稳，科学家此前也从未见过“金属态氢”。

太阳和太阳系的大型行星的内核主要由这种高压形式的氢元素构成。该项研究主要负责人、英国爱丁堡大学物理和天文学学院科学家尤金-格雷高里安兹教授介绍说，“在过去30年间，在无数次的高压实验中，科学家们都声称制造出金属态氢，但后来这些实验结果都被证明无效。我们的研究首次拿出了实验证据证明氢可以像预测的那样拥有固体金属态，不过所需要的压力也比此前想像的要高得多。研究成果将有助于基础科学和行星科学的发展。”英国爱丁堡大学研究团队利用钻石对顶砧制造出某种极端高压状态，即生成“第五状态氢”所必需的压力状态，将氢压缩成新的固体状态。为了达到“第五状态”，研究团队所实现的压力相当于325万个地球大气压。科学家们利用激光显微拉曼光谱仪观测到了这种状态的变化，从而通过实验证明了氢的这种不寻常特性。在这种极端高压状态下，分子开始分离成单原子。研究人员发现，电子的行为与金属电子的行为特征相似。尽管此次实验比此前的实验迈进了一大步，但科学家承认还需要继续努力加以佐证。此外，为了生成单纯的原子和金属状态可能还需要更大的压力。

每层石墨烯包含若干由6个碳原子构成碳环并呈现出蜂窝状结构。石墨烯约在10年前被发现和人工合成，它质量很轻，但却极其强韧，具有非常好的导电、导热性能。这些特征使之在光学电子屏幕、高性能光伏电池等领域有广泛应用价值。

研究结果表明，特殊条件下氢结构的稳定性源于氢环的内在稳定性。这些氢环也具有“芳香性”，这在含碳分子苯以及石墨烯中是很好理解的：芳香结构呈现出一种环状，可以看作是单键碳原子和双键碳原子的交替排列。实际上，构成这些单双键原子交替排列的电子会在环形结构的内侧漂浮，这增加了环形结构的稳定性。

原文链接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ar5002654