氢能经济的量子钥匙？国际科研团队首次观测到氢纳米团簇“超流体”

氢能经济的量子钥匙？国际科研团队首次观测到氢纳米团簇“超流体”

2025年2月，一个国际科研团队在《科学进展》杂志宣布，他们首次在实验中观测到氢纳米团簇在低温下的“超流体”特性，氢原子实现了无阻力流动。这一突破不仅拓展了人类对量子流体的认知，更可能为高效氢能技术提供全新思路。

1936年，科学家首次在接近绝对零度的液态氦中观察到一种奇特现象：氦原子仿佛摆脱了经典物理的束缚，以零阻力的状态流动，甚至能攀越容器壁面——这便是“超流体”。这一发现不仅揭示了量子效应在宏观世界的显现，也为低温物理和量子材料研究奠定了基础。

近百年后，科学界再次迎来里程碑：2025年2月，一个国际科研团队在《科学进展》杂志宣布，他们首次在实验中观测到氢纳米团簇在低温下的“超流体”特性，氢原子实现了无阻力流动。

氢，作为宇宙中最轻、最丰富的元素，因其燃烧产物仅为水，被誉为“终极能源”。然而，氢的储存与运输始终是氢能经济的关键瓶颈。此次发现不仅拓展了人类对量子流体的认知，更可能为高效氢能技术提供全新思路。本文将深入解析这一突破的科学原理、技术潜力及未来挑战。

超流体现象的突破性发现

超流体的本质是量子力学在宏观尺度的集体行为。在极低温下，粒子的热运动被抑制，量子效应占据主导，使得大量原子或分子同步运动，形成无粘滞的“超流动”。此前，超流体现象仅在氦中被稳定观测，而氢因其在低温下易固化的特性，长期被视为难以实现超流体的候选者。

此次突破由加拿大不列颠哥伦比亚大学、日本理化学研究所和金泽大学组成的团队完成。他们创造性地将氢分子封闭于氦纳米液滴中，并将温度降至零下272.25摄氏度（接近绝对零度的0.9开尔文），成功阻止氢固化。

通过向液滴内嵌入甲烷分子并施加激光脉冲，研究人员观察到：当氢分子形成15-20个的纳米团簇时，甲烷分子可在其中无阻力自由旋转——这正是超流体的标志性特征。

这一设计巧妙规避了氢的固化难题：氦液滴作为“保护壳”，既维持了氢的液态，又通过纳米尺度的限制增强了量子效应。实验数据与理论预测的高度吻合，证实了氢纳米团簇超流体的存在。

新方法的科学原理与技术优势

传统液态氢在零下259摄氏度便会凝固，而纳米尺度的团簇因量子限域效应表现出截然不同的行为。在极小的空间内，氢分子的波函数重叠，量子涨落显著增强，使其在更低温度下仍保持液态。这种效应与超流体的协同作用，为氢的操控提供了全新可能。

当前氢能技术的核心挑战在于储存与运输。高压气态储氢需承受700大气压，液态储氢则依赖零下253摄氏度的极低温，两者成本高昂且安全性存疑。而超流体氢的特性可能带来以下颠覆性优势：

• 无阻力流动：超流体氢在管道中传输时几乎无能量损耗，可大幅提升运输效率；
• 纳米尺度稳定性：氢纳米团簇的量子特性或能用于设计新型储氢材料，通过表面吸附或量子束缚实现高密度存储；
• 低温协同效应：超流体所需极低温环境与液态储氢条件部分重叠，有望整合现有技术，降低能耗3510。

此外，超流体氢的量子特性还可能为量子计算、超导材料等领域提供灵感。例如，超流体的相干性可用于构建更稳定的量子比特，而氢的轻质特性或助力开发新型轻量化超导器件。

氢能经济的前景与挑战

此次突破的背后，是国际科研力量的深度合作。加拿大团队在低温实验装置设计、日本团队在纳米材料表征方面的技术积累，共同推动了这一发现。近年来，全球氢能研发投入激增：欧盟计划2030年建成泛欧氢能网络，美国能源部将“氢能攻关”列为战略优先，中国亦在《十四五规划》中明确氢能产业地位。超流体氢的发现，或将成为各国技术竞赛的新焦点。

尽管前景光明，超流体氢的实用化仍面临多重挑战：

• 极端环境依赖：实验所需的零下272摄氏度远超当前工业级低温设备的常规范围，大规模制冷成本极高；
• 团簇稳定性：如何在外界扰动下维持氢纳米团簇的量子态，仍需进一步探索；
• 跨学科整合：从实验室到产业化，需材料科学、低温工程、量子计算等多领域协同突破510。

结语

超流体氢的发现，犹如打开了一扇通往量子世界的新门。它提醒我们，基础科学的每一次突破，都可能成为技术革命的种子。正如百年前量子力学的诞生重塑了现代文明，今天对氢纳米团簇的探索，或将为清洁能源、量子科技乃至太空探索注入全新动力。

然而，科学从不是一蹴而就的奇迹。从现象到应用，需无数研究者接力前行。或许在不久的将来，当氢能汽车飞驰、量子计算机普及之时，人们会回想起2025年的这个冬天——人类首次窥见了氢原子那优雅的量子之舞。

本文原文来自先驱中国