En tecknad perspektivteckning av nanostrukturerade diamantkapslar (NDC) med högtrycksargon-nanodomäner inbäddade i matrisen. Moderna diagnostiska sonder som hård/mjuk röntgenstrålning, ultraviolett-synligt-infrarött ljus, elektron- och neutronstrålar är alla tillämpliga på NDC-proverna för undersökningar. Kredit:Charles Zeng
Bevarandet av högtryckstillstånden hos material vid omgivningsförhållanden är ett länge eftertraktat mål för grundforskning och praktiska tillämpningar.
Ett team av forskare ledda av Drs. Zhidan (Denise) Zeng, Qiaoshi Zeng och Ho-Kwang Mao från Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) och prof. Wendy Mao från Stanford University rapporterar om ett innovativt genombrott där de kunde behålla de extraordinära egenskaperna hos högtrycksmaterial i fristående, nanostrukturerade diamantkapslar utan stöd av traditionella skrymmande tryckkärl. Deras arbete publicerades nyligen i Nature .
Modern teknik bygger på tillgång till material med lämpliga fysikaliska och kemiska egenskaper som kan användas för att utföra specifika funktioner i olika enheter. Tekniska framsteg dikteras därför ofta av utvecklingen av överlägsna material med önskvärda egenskaper. Högt tryck kan drastiskt förändra eller justera egenskaper hos alla material, vilket ger en grogrund för att upptäcka nya material med extremt gynnsamma egenskaper.
Förbehållet är dock att de gynnsamma egenskaperna ofta bara existerar under tryck när provet förblir i det skrymmande högtryckskärlet, vilket begränsar vetenskaplig undersökning och potentiella tillämpningar. Under det senaste århundradet har forskare försökt övervinna denna svårighet. De lyckades bara i "släckbara" faser, där nya material syntetiserade vid högt tryck behåller sina gynnsamma egenskaper efter att ha släppt trycket. Ett välkänt exempel är högtrycksomvandlingen av vanligt kol till diamant som kan behålla sin briljans och andra exceptionella egenskaper efter att ha hämtats vid vanliga tryck.
Tyvärr är sådana framgångsrika exempel på härdbara faser extremt sällsynta, vilket till stor del gör högtrycksmaterialstudier av endast akademiskt intresse med litet praktiskt värde i den omgivande miljön.
HPSTAR och Stanford forskargruppen utvecklade ett nytt tillvägagångssätt som har visat förmågan att släcka även svaga gaser och bevara deras högtrycksegenskaper. De komprimerade glasartat kol, en amorf form av poröst kol, tillsammans med argongas till 50 gigapascal - cirka 500 000 gånger atmosfärstrycket, och värmde provet till 3 320 grader Fahrenheit.
Det glasartade kolet som initialt är ogenomträngligt för gaser vid vanliga förhållanden absorberar argon som en svamp vid höga tryck. Tillämpningen av högtrycks- och temperaturförhållanden omvandlar kolet till diamant och fångar det nu fasta högtrycksargonet i sina porer. Det resulterande provet som hämtas vid omgivande förhållanden beter sig som en nanokristallin diamantkomposit med många isolerade porer som representerar som små diamantkapslar fyllda med argon.
Det återstående trycket som bevaras i argon av diamantkapseln är så högt som 22 gigapascal - ungefär 220 gånger trycket i botten av Mariana Trench. Ännu bättre, det trycksatta argonprovet är förseglat av endast nanometertjocka diamantskal, vilket gör att dess extraordinära egenskaper är tillgängliga med moderna analytiska sonder som kräver nära vakuummiljöer som elektronmikroskopi.
"Vi observerar direkt många nanometerstora högtrycksargonkorn inkapslade i nano-diamantmatrisen genom högupplöst transmissionselektronmikroskopi; därför kallade vi dem nanostrukturerade diamantkapslar (NDCs)," förklarade Dr. Denise Zhidan Zeng, ledaren. författare till detta verk.
"En av nycklarna till att förverkliga konceptet med NDC är att välja rätt kolprekursor som är sp 2 bunden och har redan befintliga slutna provkammare. Detta är uppenbarligen inte begränsat till glasartat kol. Därför skulle en mängd olika kristallina, amorfa och lågdimensionella kolallotroper potentiellt kunna användas som prekursorkol också, och erbjuda ett brett utbud av kapselmaterial för optimering av NDC-processen," förklarade Zeng.
"Användning av flera komplementära diagnostiska sonder för att få konsekventa resultat visar den moderna materieforskningen. Men in-situ högtrycksstudier har alltid krävt högpenetrerande sonder som hård röntgen på grund av de tjocka högtryckskärlväggar som är involverade. Därför , många kraftfulla och mångsidiga sonder, såsom elektronmikroskopi och vakuum ultraviolett till mjuk röntgenspektroskopi, som kräver en nära vakuummiljö, förblir tyvärr oförenliga med högtrycksvetenskap och -teknologi. Detta har allvarligt hindrat våra ansträngningar att förstå många höga -tryckmaterial", sa Dr. Qiaoshi Zeng.
"Genom att syntetisera NDC erbjuder vi en generell metod för att ta bort skrymmande tryckkärl samtidigt som vi bibehåller högtrycksförhållandena och därför högtrycksbeteendet i våra prover. Vi kan nu använda nästan alla moderna diagnostiska sonder för att få detaljerad information om atomen /elektroniska strukturer, sammansättningar och bindningsegenskaper hos material vid höga tryck inuti NDC:er, inklusive olika tekniker baserade på transmissionselektronmikroskopi. Vi är glada över möjligheten att ett tillvägagångssätt baserat på NDC:er kommer att ge högtrycksutforskningar i nivå med konventionella kondenserade- ärendeutredningar och ansökningar."
"Utöver de gaser som vi utforskade i vår studie, förväntar vi oss också att konceptet med NDC är allmänt tillämpligt på olika fasta prover", säger prof. Wendy Mao.
"Dessutom är NDC-prover i princip kumulativa med potential för obegränsade, multipla synteser, vilket tar bort begränsningen där högtrycksfenomen bara existerar i ett litet prov inuti en stor tryckkammare. Därför visar vårt arbete det första, kritiska steget mot den stora utmaningen med högtrycksmaterialapplikationer för tidigare outsläckbara faser." + Utforska vidare
