在适当的温度、压力下，氢成了超导金属，钠成了绝缘体。化学家和物理学家们开始了探索金属和非金属之间的区别……

人人皆知金属是什么：它坚硬、有光泽、致密，敲击时铿锵作声，也是良导热体。自史前时代以来，人类一直利用金属的这些特性制造工具、武器、珠宝以及烹饪用具。不过，金属最重要的特性也许是导电——上一世纪人类才开始利用它；如今，现代文明正是以此作为动力的。金属在化学理论中也起了关键的作用，它帮助化学家对元素进行分类。大约200年前，法国化学家拉瓦锡把元素分为气体、金属、非金属以及难以还原的金属氧化物。现代的元素周期表仍在右边的非金属与左边的金属之间划出了一条泾渭分明的界限。

可是，这条处于金属和非金属之间的界限，现在却代表了元素分类中的狭隘观点，化学家现在正不得不对金属的定义重新进行考虑。如果我们能与别的行星上的化学家交谈，比如木星上的，他们将会对我们把某些元素归入非金属的做法大惑不解。的确，所有元素，甚至包括氢元素，当温度足够低、压力足够大时都会表现出金属性。事实上，如果我们更进一步考察那些我们将其作为典型金属的特征时，我们会发现，它们非但不能作为一系列定义精确的金属特性，而且很难回答金属到底是什么。

别的诸如光泽、延展性以及清脆的声调等，按理都是金属的特性，但在定义金属时已毫无用处，因为现代许多陶瓷都具有类似的性能。到目前为止，金属所独有的一大特性便是其良导电性，原因在于它们具有不同寻常的电子结构。当金属原子聚集时，它们便将外层电子联合起来构成自由电子的“海洋”，电流产生的波就是通过这个海洋的。因此，根据定义，金属必须导电。这一特征应该成为金属的重要定义的依据。

十分遗憾；我们现在已经了解到，除金属之外的物质也能导电。化学家已合成了一系列化合物，它们具有长长的链式分子，这使它们在某些场合能像铜线那样导电。这些所谓的“分子金属”只在一个方向上传递电子，别的方向上则是绝缘体。也许我们应该将金属定义为能在所有三个方向上均能导电的物质。金属的典型性质是它能维持一个自由电子的环境。化学家就根据这些特性来解释金属中的原子结合。

可是，如果我们采纳这个金属定义，我们还是必须改变有关金属特性的传统观点。剑桥卡文迪许实验室的莫特爵士，早在1949年就预言，任何金属，甚至任何元素，都会突然地从导体变成绝缘体，反之亦灼。这种转变与温度、压力诸因素有关，因为它们影响到金属的密度。在临界密度以下，电子属于特定的原子；临界密度以上，电子便自由了。例如，贝尔电话实验室的戈登 · 托马斯（Gordon Thomas）、汤姆 · 罗森堡（Tom Rosenbaum）及其合作者发现，甚至非金属硅，在掺杂了少量磷之后，在0.003 K以下也会变成金属。这些非金属向金属转变的性质，对金属的传统观念是严峻的挑战。

早在十年前，无机化学家就已制成并研究了金属原子簇居其核心的化合物。50个金属原子形成的一簇看上去就像一个分子。有时它们具有漂亮的形状以及对称性。在这些金属簇中，起联结作用的外层电子是与特殊的键相连的，它们不能自由移动。

在这一簇上再加更多的原子，使该核形成一层一层的庞大的对称“分子”。用高分辨电子显微镜拍摄的最大原子簇（1500个银原子）的照片说明了银原子的基核如何保持其多面体形状的。并且，这一多面体呈五重轴对称，它实在太复杂了，不是真正金属的原子排列。这是说明这个分子还不是金属的最好证据，因为其结构显示出，成键电子还处于局部定域内。

可是，当我们观察10，000个原子的原子簇时，可以看到，其结构已经过了一次大调整，我们能清晰地认出它是金属了。原子以线状方式排列，这是典型金属的排列。在1，500和10，000间存在着一个转变数，使银原子簇突然放松，从高能量的高度对称的晶体结构转变到较低能量的金属排列。化学家们还不知道他们是否能够精确地指出转变时的这一特殊原子数目。我们还不能目睹原子簇一个一个地加入原子宫它的结构是如何改变的。不过很清楚，在定义金属时，质点的大小是很重要的。

另一种探测由原子成簇再成金属的转变的方法，是观察磁性是如何变化的，因为磁性与金属特性有关。铁、镍以及许多合金具有强磁性，而钠和钾只有弱磁性。单个的钠原子具有强磁性，因为它具有奇数的电子。电子在其轨道上趋向于成双成对，因此它们的自旋能够相互抵消。对钠来说，还留有一个未成对的电子，它便产生了磁性。可是，将钠原子聚合起来时、它们的奇电子又成对了，这导致了磁性消失。但是，钠原子簇具有怎样的磁性呢？这应该与该簇具有原子的奇、偶数有关。这正是关键所在。

探测磁性如何随着该簇的大小而变的第一步，是在可控条件下让其增长。形成簇的一种方法是通过超声速膨胀，例如，让钠蒸汽经过一个小孔或小管而膨胀。用这种方法我们可以产生并冷却金属质子的簇。

目前，计算也表明，像钾和钠这些碱金属簇在气相条件下具有诱人的几何形状。五个原子前，簇的最低能态是一平面结构，六或七个原子的簇则具有五重对称。甚至在所研究过的最大簇Na13中，也没有金属的结构。

在剑桥大学，本文作者之一的彼得 · 埃得沃兹采用了不同的研究路线。我们在一种称为沸石的硅酸盐的大量小孔中捕获了钠和其他金属的簇，别的多孔无机固体亦可。经脱水的纯白沸石粉末被置于何碱金属的蒸汽中，会产生一种物质，其颜色与渗入这些异常物质中的金属原子数有关。非常低的金属浓度在小小的“钠矿”笼子里形成带电荷的簇Na43+。加入更多的金属，这些物质变蓝，当纳原子在沸石的超级笼子里逐渐形成更大的簇时（Na8和Na10），最后将变成暗淡的蓝黑色。通过观测它们的磁性，我们能够区别出簇所具有的原子数是偶还是奇的。

钠和其他碱金属在从金属向非金属转变时，以另一种引人注目的方式表现出急剧的变化。戴维最早记录了当碱金属与气态氨接触时所表现出的奇怪行为。他指出，钾和氨会产生一种漂亮的类似金属的流体，当氨大量增加时，这种流体变成浓蓝色。钠亦如此，钠溶于液氨在有机分析中是一种普通的试剂。现在我们知道，这种溶液不仅含有失去一个电子而带正电荷的钠离子Na+，而且还含有得到一个电子而形成的奇怪的带负电荷的离子Na-。

蒸发掉若干氨，钠的溶液将变得更加浓缩，在某一点，蓝色突然变为明亮的金属色彩，有点像青铜色的汞。事实上，这种相似已不仅在表面了，这一系统已从绝缘体跃向了导体。这种钠溶液成了极佳的导电体，其电导率大于水银。这种变化是如此惊人，作为液体的两种溶液简直互不相容。照片显示出两种液体在-60℃（213 K）时，在同一容器内共存的情形。而且，高聚性的金属溶液浮在低聚性的金属溶液之上。

钠在2010℃时能自动地从导体变为绝缘体，在这温度时，钠变成了气态，粗看起来，这也许就是解释了。可是，进一步的观察得出，两种变化之间的联系——导体与绝缘体、液体与气体——可能是同时发生的。另一种著名的液体金属水银，表现出性质上的这些变化可能没有什么联系。

研究金属与非金属之间的转变不只是一个学术练习，而是具有实际应用的，譬如在核安全方面。钠在相对较低的温度90°C时熔化。液钠能快速冷却增殖反应堆中的原子核。因为钠是金属，因此它具有良好的导热性，它能比水和其他流体更有效地进行散热。但假设在某种条件下，液钠金属突然由一种良导热体变成了一种绝缘体。

看来不会那样。如果液钠在耐热的冷却管内加热，它能产生大量的内压以阻止其沸腾。这是一种非常有趣的情况：对钠来说，温度太高使它不能停留在液态，但压力太大又不能使它成为气态。这便是钠在进入其超临界态时的情形——显著的密度变化能产生一种“膨胀的金属”。西德马堡大学的弗里德里西 · 亨赛尔（Friedrich Hensel）和魏纳 · 弗雷兰德（Werner Freyland）最近的研究表明，如果液态碱金属的温度增至2000°C，同时伴有高压，那么就会发生这种情况。钠将经历从金属向非金属的转化，并且不再有效地传导热量。

但是，金属性质研究中最激动人心的应用是在研制和了解新颖的超导材料。超导体是没有电阻的物质。毫不奇怪，它们通常是金属。问题在于金属成为超导体仅在极低温条件下，它明显地限制了它们的应用领域。寻找室温下具有超导性的材料是许多科学家梦寐以求的事，这将会引起输能以及电子仪器上的一场革命，当然与强磁场有关的技术也不例外。

目前，这种梦想看来有可能实现了。前不久发现的铱钡铜氧化物在液氮温度以上可以产生超导性，这推翻了固态科学理论上的界限。物理学家和化学家们现正在试图弄清楚，究竟是什么原因使得这种特殊化合物产生超导性的。令人惊奇的是，这不是一种金属，而是一种陶瓷。这些材料又一次对于金属是什么这个传统的概念提出了挑战。

[New Scientist 1987年4月9日]