Optagelse af højtryk i diamantkapsler

Bevarelse af materialers højtrykstilstande under omgivende forhold er et længe søgt mål for grundforskning og praktiske anvendelser.

Et team af videnskabsmænd ledet af Dr. Zhidan (Denise) Zeng, Qiaoshi Zeng og Ho-Kwang Mao fra Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) og prof. Wendy Mao fra Stanford University rapporterer om et innovativt gennembrud, hvor de var i stand til at bevare de ekstraordinære egenskaber ved højtryksmaterialer i fritstående, nanostrukturerede diamantkapsler uden støtte fra traditionelle voluminøse trykbeholdere. Deres arbejde blev for nylig udgivet i Nature .

Moderne teknologi er bygget på adgang til materialer med passende fysiske og kemiske egenskaber, der kan bruges til at udføre specifikke funktioner i forskellige enheder. Teknologiske fremskridt er derfor ofte dikteret af udviklingen af ​​overlegne materialer med ønskværdige egenskaber. Højtryk kan drastisk ændre eller justere egenskaberne af alle materialer, og dermed give en grobund for at opdage nye materialer med ekstremt gunstige egenskaber.

Forbeholdet er dog, at de gunstige egenskaber ofte kun eksisterer under tryk, når prøven forbliver i den omfangsrige højtryksbeholder, hvilket begrænser videnskabelig undersøgelse og potentielle anvendelser. I det sidste århundrede har videnskabsmænd forsøgt at overvinde denne vanskelighed. De lykkedes kun i "slukbare" faser, hvor nye materialer syntetiseret ved højt tryk bevarer deres gunstige egenskaber efter at have frigivet tryk. Et velkendt eksempel er højtryksomdannelsen af ​​almindeligt kulstof til diamant, som er i stand til at bevare sin glans og andre ekstraordinære egenskaber efter udtagning ved almindeligt tryk.

Desværre er sådanne vellykkede eksempler på slukbare faser ekstremt sjældne, hvilket stort set gør højtryksmaterialestudier af kun akademisk interesse med ringe praktisk værdi i det omgivende miljø.

HPSTAR og Stanford-forskningsgruppen udviklede en ny tilgang, der har demonstreret evnen til at slukke selv tynde gasser og bevare deres højtryksegenskaber. De komprimerede glasagtigt kulstof, en amorf form af porøst kulstof, sammen med argongas til 50 gigapascal - omkring 500.000 gange atmosfærisk tryk, og opvarmede prøven til 3.320 grader Fahrenheit.

Det glasagtige kulstof, der i starten er uigennemtrængeligt for gasser under almindelige forhold, absorberer argon som en svamp ved højt tryk. Anvendelsen af ​​højtryks- og temperaturforhold omdanner kulstoffet til diamant og fanger det nu faste højtryksargon i dets porer. Den resulterende prøve, der hentes ved omgivende forhold, opfører sig som en nanokrystallinsk diamantkomposit med adskillige isolerede porer, der repræsenterer som små diamantkapsler fyldt med argon.

Det resterende tryk, der bevares i argon af diamantkapslen, er så højt som 22 gigapascal - omkring 220 gange trykket i bunden af ​​Mariana-graven. Endnu bedre er den tryksatte argonprøve forseglet af kun nanometertykke diamantskind, hvilket gør det muligt for dens ekstraordinære egenskaber at være tilgængelige for moderne analytiske sonder, der kræver nærvakuummiljøer som elektronmikroskopi.

"Vi observerer direkte mange nanometerstore højtryksargonkorn indkapslet i nano-diamantmatrixen ved højopløsningstransmissionselektronmikroskopi; derfor kaldte vi dem nanostrukturerede diamantkapsler (NDC'er)," forklarede Dr. Denise Zhidan Zeng, lederen. forfatter til dette værk.

"En af nøglerne til at realisere konceptet med NDC'er er at vælge den rigtige kulstofprækursor, som er sp ² bundet og har allerede eksisterende lukkede prøvekamre. Dette er naturligvis på ingen måde begrænset til glasagtig kulstof. Derfor kan en række forskellige krystallinske, amorfe og lavdimensionelle carbon-allotroper potentielt også bruges som precursor-carbon, der tilbyder en bred vifte af kapselmaterialer til optimering af NDC-processen," forklarede Zeng.

"Brug af flere komplementære diagnostiske prober til at opnå ensartede resultater er karakteriseret ved den moderne stofforskning. Imidlertid har in-situ højtryksundersøgelser altid krævet højpenetrerende prober såsom hård røntgen på grund af de tykke højtryksbeholdervægge, der er involveret. Derfor , mange kraftfulde og alsidige sonder, såsom elektronmikroskopi og vakuum ultraviolet til blød røntgenspektroskopi, der kræver et nærvakuum miljø, forbliver desværre uforenelige med højtryksvidenskab og teknologi. Dette har alvorligt hæmmet vores bestræbelser på at forstå mange høje -trykmaterialer," sagde Dr. Qiaoshi Zeng.

"Ved at syntetisere NDC'er tilbyder vi en generel metode til at fjerne voluminøse trykbeholdere og samtidig opretholde højtryksbetingelserne og derfor højtryksadfærden i vores prøver. Vi kan nu anvende næsten alle moderne diagnostiske sonder til at få detaljeret information om atomaren. /elektroniske strukturer, sammensætninger og bindingsnatur af materialer ved høje tryk inde i NDC'er, herunder forskellige teknikker baseret på transmissionselektronmikroskopi. Vi er begejstrede for muligheden for, at en tilgang baseret på NDC'er vil bringe højtryksudforskninger på niveau med konventionelle kondenserede- sagsundersøgelser og ansøgninger."

"Ud over de gasser, som vi udforskede i vores undersøgelse, forventer vi også, at konceptet med NDC'er er generelt anvendeligt på forskellige faste prøver," sagde prof. Wendy Mao.

"Desuden er NDC-prøver i princippet kumulative med potentialet for ubegrænsede, multiple synteser, og fjerner dermed begrænsningen, hvor højtryksfænomener kun eksisterer i en lille prøve inde i et stort trykkammer. Derfor viser vores arbejde det første, kritiske skridt hen imod den store udfordring med højtryksmaterialeapplikationer til tidligere uudslukkelige faser." + Udforsk yderligere

Amorf diamant syntetiseret