世界を変える夢の物質「金属水素」の生成に成功――米ハーバード大が発表

鳥嶋真也

水素が金属に変わる様子。透明だった水素(左)が、圧力をかけることで徐々に黒くなり(中央)、やがて金属のような光沢をもつようになった(右) Image Credit: Harvard University

 米国ハーバード大学の研究チームは1月26日(米国時間)、世界で初めて「金属水素」の生成に成功したと発表した。論文は科学誌『Science』(27日発売号)に掲載された。

 金属水素は、私たちの周囲にもある水素に、とても高い圧力をかけることで金属にしたもの。約80年もの間、存在は予測されながらも実際に作り出すことはできず、「高圧物理学の聖杯」とまで言われていた。

 もし金属水素が実在し、なおかつ日常的に使えるようになれば、私たちのあらゆる生活を大きく変えることになるかもしれない。

金属水素への長い道のり

「水兵リーベ僕の船……」という覚え方でおなじみの、周期表の一番最初に出てくる、「H」の記号で表される元素の「水素」。この宇宙で最も多く存在し、私たちの身の回り、地球の空気の中にもわずかに存在してる。近年では燃料電池や水素自動車が普及しはじめ、水素社会という言葉とともに身近な存在となりつつある。

 この気体の水素を、マイナス約253度という温度にまで冷やすと液体になり、ロケットの燃料に使われている他、さらにもっと冷やすと固体になる。実際に液体や固体の水素を見たことがある人は少ないだろうが(筆者もない)、実際に作り出せ、一部で利用されている以上は、まだ身近な姿といえる。

 ところが、人類の誰も見たことがないどころか、地球上に自然には存在すらしない、水素の別の姿がある。それが「金属水素」である。

 通常、私たちのまわりにある水素は、水素の原子が2つくっついた「水素分子」の状態になっている。この状態では、水素の原子がもっている1つの電子をお互いに共有した状態にあり、電子は自由に動けないため、水素は電気を通さない絶縁体となっている。

 しかし1935年、その水素分子に高い圧力をかけることで、電子を共有する状態が壊れ、水素の原子が規則正しく並んで、それぞれがもつ電子が自由に動ける状態になるのでは、という予測が立てられた。実際に、太陽系の木星や土星の中心部のような高温・高圧の環境では、液体の金属水素が存在すると言われている。

 だが、どれくらいの圧力で金属になるのか、そもそもどうやって水素にそれほど高い圧力をかける装置を造るのか、といった問題で、科学者たちは80年もの間、悩み続けることになった。

 これまで、機械的に圧力をかける装置による実験が繰り返されたものの失敗の連続で、ときどき「成功した」と発表されても、のちに否定されるなど、一向にその正体をつかむことはできなかった。実験が重ねられる中で、金属水素の生成に必要だと考えられる圧力の数値がどんどん上がり、次第には永遠に不可能なのでは、という話も出るほどだった。

 それ故に、金属水素の存在は「高圧物理学の聖杯」とも呼ばれていた。

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ついに成功か!?

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