Las altas presiones cambian drásticamente las propiedades de los materiales, a veces produciendo características físicas y químicas con aplicaciones útiles. El problema es que estas propiedades deseables suelen desaparecer una vez que los materiales abandonan los voluminosos recipientes que hacen posibles presiones tan altas. Ahora, sin embargo, los investigadores del Centro de Investigación Avanzada de Ciencia y Tecnología de Alta Presión (HPSTAR) en China y la Universidad de Stanford en los EE. cápsulas hechas de diamante.
En el trabajo, un equipo dirigido por Carlos Qiaoshi Zeng de las HPESTRELLA sometió una muestra de una forma amorfa y porosa de carbono conocida como carbono vítreo a una presión de 50 gigapascales (aproximadamente 500 000 veces la presión de la atmósfera terrestre) mientras la calentaba a casi 1830 °C en presencia de gas argón. Aunque el carbón vítreo es inicialmente impermeable al argón, lo absorbe como una esponja a altas presiones. El resultado es un compuesto de diamante nanocristalino que retiene el argón en numerosos poros aislados incluso después de retirarlo del recipiente de alta presión en el que se llevó a cabo el experimento.
Usando microscopía electrónica de transmisión de alta resolución, el equipo descubrió que estos poros, a los que llaman cápsulas de diamante nanoestructurado (NDC), contienen "granos" de argón de alta presión. Denise Zhidan Zeng, autora principal de un artículo en Naturaleza al describir los resultados, dice que este hallazgo es importante porque hasta ahora ha sido difícil caracterizar materiales de alta presión in situ sin recurrir a sondas como los rayos X duros que pueden penetrar las paredes gruesas y fuertes de los recipientes a presión. “Los nuevos NDC nos permiten deshacernos de este aparato voluminoso mientras mantenemos las condiciones de alta presión y, por lo tanto, las propiedades de alta presión de los materiales que se estudian”, dice.
Inspiración de diamantes
Los investigadores eligieron usar diamante porque, a diferencia de la mayoría de los materiales, esta forma de carbono conserva sus extraordinarias propiedades mecánicas y optoelectrónicas a presiones ambientales después de formarse a presiones más altas. “Nos inspiramos en las inclusiones de diamantes geológicos naturales y descubrimos que el diamante por sí solo es lo suficientemente fuerte como para mantener altas presiones dentro de estas inclusiones”, explica Qiaoshi Zeng. "Por lo tanto, decidimos hacer inclusiones de diamantes sintéticos en las que los materiales de alta presión se conservan con una alta presión de confinamiento dentro de una fina envoltura de diamante".
Los investigadores descubrieron que sus NDC pueden mantener presiones de hasta decenas de GPa a pesar de que las paredes de las cápsulas tienen solo decenas de nanómetros de espesor. La delgadez de las paredes permite al equipo obtener información detallada sobre las estructuras atómicas/electrónicas, la composición y la naturaleza de los enlaces de los materiales en el interior utilizando sondas de diagnóstico modernas, incluidas varias técnicas basadas en microscopía electrónica de transmisión (TEM) y espectroscopia de rayos X blandos que son incompatibles con los recipientes de alta presión.
Muestras de gases y líquidos
Las técnicas tradicionales de alta presión estática también imponen límites a los tamaños de las muestras: cuanto mayor sea la presión, más pequeña debe ser la muestra. Otra técnica desarrollada recientemente soluciona esto mediante el uso de irradiación de electrones de alta energía para introducir presión sobre partículas sólidas encapsuladas dentro de carbono nanoestructurado, como los nanotubos de carbono (CNT), pero Qiaoshi Zeng señala que esta técnica tiene restricciones importantes. En particular, sellar con éxito una partícula de material sólido objetivo dentro de CNT y luego aplicarle presión con radiación es un desafío técnico incluso en condiciones experimentales ideales, y no es factible para muestras de gas o líquido. “Por el contrario, no existe tal limitación para nuestros NDC”, dice QiaoshiZeng. Mundo de la física.
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Se han descubierto muchos materiales con propiedades deseables a altas presiones, agrega, y estos nuevos materiales serían especialmente atractivos si fuera posible conservar estas propiedades en condiciones ambientales. “Nuestro trabajo es un paso importante hacia la retención de propiedades novedosas que solo emergen en materiales de alta presión, como la superconductividad a temperatura ambiente”, dice.
Los investigadores ahora están estudiando una variedad de materiales utilizando la técnica con la esperanza de preservar estos estados de alta presión en las NDC. “También estamos buscando ampliar nuestra síntesis de materiales de alta presión”, revela Qiaoshi Zeng.
