Οι υψηλές πιέσεις αλλάζουν δραματικά τις ιδιότητες των υλικών, μερικές φορές παράγοντας φυσικά και χημικά χαρακτηριστικά με χρήσιμες εφαρμογές. Το πρόβλημα είναι ότι αυτές οι επιθυμητές ιδιότητες συνήθως εξαφανίζονται μόλις τα υλικά εγκαταλείψουν τα ογκώδη δοχεία που καθιστούν δυνατές τέτοιες υψηλές πιέσεις. Τώρα, ωστόσο, ερευνητές από το Κέντρο Προηγμένης Έρευνας Επιστήμης και Τεχνολογίας Υψηλής Πίεσης (HPSTAR) στην Κίνα και το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ στις ΗΠΑ κατάφεραν να διατηρήσουν τις ιδιότητες των υλικών υψηλής πίεσης έξω από τέτοια δοχεία περιορίζοντας τα σε αυτόνομες νανοδομές. κάψουλες από διαμάντι.
Στο έργο, μια ομάδα με επικεφαλής τον Charles Qiaoshi Zeng του HPSTAR υπέβαλε ένα δείγμα μιας άμορφης και πορώδους μορφής άνθρακα που είναι γνωστός ως υαλώδης άνθρακας σε πίεση 50 γιγαπασκάλ (περίπου 500 φορές την πίεση της ατμόσφαιρας της Γης) ενώ το θέρμανε στους σχεδόν 000 °C παρουσία αερίου αργού. Αν και ο υαλώδης άνθρακας είναι αρχικά αδιαπέρατος στο αργό, τον απορροφά σαν σφουγγάρι σε υψηλές πιέσεις. Το αποτέλεσμα είναι ένα σύνθετο νανοκρυσταλλικό διαμάντι που διατηρεί το αργό σε πολυάριθμους απομονωμένους πόρους ακόμη και αφού αφαιρεθεί από το δοχείο υψηλής πίεσης στο οποίο διεξήχθη το πείραμα.
Χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης υψηλής ανάλυσης, η ομάδα διαπίστωσε ότι αυτοί οι πόροι, τους οποίους ονομάζουν κάψουλες με νανοδομή διαμάντι (NDCs), περιέχουν «κόκκους» αργού υψηλής πίεσης. Denise Zhidan Zeng, η κύρια συγγραφέας μιας εργασίας στο Φύση περιγράφοντας τα αποτελέσματα, λέει ότι αυτό το εύρημα είναι σημαντικό γιατί μέχρι τώρα ήταν δύσκολο να χαρακτηριστούν υλικά υψηλής πίεσης in-situ χωρίς να καταφύγουμε σε ανιχνευτές όπως οι σκληρές ακτίνες Χ που μπορούν να διαπεράσουν τα παχιά, ισχυρά τοιχώματα των δοχείων πίεσης. «Τα νέα NDC μας επιτρέπουν να καταργήσουμε αυτήν την ογκώδη συσκευή διατηρώντας παράλληλα τις συνθήκες υψηλής πίεσης και επομένως τις ιδιότητες υψηλής πίεσης των υλικών που μελετώνται», λέει.
Διαμαντένια έμπνευση
Οι ερευνητές επέλεξαν να χρησιμοποιήσουν διαμάντι επειδή, σε αντίθεση με τα περισσότερα υλικά, αυτή η μορφή άνθρακα διατηρεί τις εξαιρετικές μηχανικές και οπτοηλεκτρονικές ιδιότητές του σε πιέσεις περιβάλλοντος αφού σχηματιστεί σε υψηλότερες πιέσεις. «Εμπνευστήκαμε από τα φυσικά γεωλογικά εγκλείσματα διαμαντιών και διαπιστώσαμε ότι το διαμάντι από μόνο του είναι αρκετά ισχυρό για να διατηρεί υψηλές πιέσεις μέσα σε αυτά τα εγκλείσματα», εξηγεί ο Qiaoshi Zeng. «Αποφασίσαμε λοιπόν να φτιάξουμε εγκλείσματα συνθετικών διαμαντιών στα οποία τα υλικά υψηλής πίεσης διατηρούνται με υψηλή περιοριστική πίεση μέσα σε ένα λεπτό φάκελο με διαμάντια».
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα NDC τους μπορούν να διατηρήσουν πιέσεις έως και δεκάδες GPa, παρόλο που τα τοιχώματα των καψουλών έχουν πάχος μόλις δεκάδες νανόμετρα. Η λεπτότητα των τοίχων επιτρέπει στην ομάδα να λάβει λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τις ατομικές/ηλεκτρονικές δομές, τη σύνθεση και τη δεσμευτική φύση των υλικών στο εσωτερικό χρησιμοποιώντας σύγχρονους διαγνωστικούς ανιχνευτές, συμπεριλαμβανομένων διαφόρων τεχνικών που βασίζονται στην ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης (TEM) και τη μαλακή φασματοσκοπία ακτίνων Χ. κατά τα άλλα είναι ασύμβατα με δοχεία υψηλής πίεσης.
Δείγματα αερίων και υγρών
Οι παραδοσιακές, στατικές τεχνικές υψηλής πίεσης θέτουν επίσης όρια στα μεγέθη των δειγμάτων: όσο μεγαλύτερη είναι η πίεση, τόσο μικρότερο πρέπει να είναι το δείγμα. Μια άλλη τεχνική που αναπτύχθηκε πρόσφατα το ξεπερνά αυτό χρησιμοποιώντας ακτινοβολία ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας για την εισαγωγή πίεσης σε στερεά σωματίδια που είναι εγκλωβισμένα μέσα σε νανοδομημένο άνθρακα όπως οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs), αλλά ο Qiaoshi Zeng επισημαίνει ότι αυτή η τεχνική έχει σημαντικούς περιορισμούς. Συγκεκριμένα, η επιτυχής σφράγιση ενός σωματιδίου στερεού υλικού-στόχου μέσα σε CNT και στη συνέχεια η άσκηση πίεσης σε αυτό με ακτινοβολία είναι τεχνικά δύσκολη ακόμη και υπό ιδανικές πειραματικές συνθήκες και δεν είναι εφικτή για δείγματα αερίου ή υγρού. «Αντίθετα, δεν υπάρχει τέτοιος περιορισμός για τα NDC μας», λέει ο QiaoshiZeng Κόσμος Φυσικής.
Τα νανοδιαμάντια έκρηξης θα μπορούσαν να προσφέρουν θερμομετρία νανοκλίμακας μέσα στα κύτταρα
Πολλά υλικά με επιθυμητές ιδιότητες έχουν ανακαλυφθεί σε υψηλές πιέσεις, προσθέτει, και αυτά τα νέα υλικά θα ήταν ιδιαίτερα ελκυστικά εάν καταστεί δυνατή η διατήρηση αυτών των ιδιοτήτων υπό συνθήκες περιβάλλοντος. «Η δουλειά μας είναι ένα σημαντικό βήμα προς τη διατήρηση των νέων ιδιοτήτων που εμφανίζονται μόνο σε υλικά υψηλής πίεσης, όπως η υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου», λέει.
Οι ερευνητές τώρα μελετούν μια ποικιλία υλικών χρησιμοποιώντας την τεχνική με την ελπίδα να διατηρήσουν αυτές τις καταστάσεις υψηλής πίεσης στα NDC. «Εξετάζουμε επίσης την κλιμάκωση της σύνθεσης υλικών υψηλής πίεσης», αποκαλύπτει ο Qiaoshi Zeng.
