Kõrge rõhk muudab materjalide omadusi dramaatiliselt, tekitades mõnikord kasulike rakendustega füüsikalisi ja keemilisi omadusi. Probleem on selles, et need soovitud omadused kaovad tavaliselt siis, kui materjalid lahkuvad mahukatest anumatest, mis võimaldavad nii kõrget rõhku. Nüüd on aga Hiina kõrgsurveteaduse ja -tehnoloogia täiustatud uuringute keskuse (HPSTAR) ja USA Stanfordi ülikooli teadlastel õnnestunud säilitada kõrgsurvematerjalide omadused väljaspool selliseid anumaid, piirates need hoopis eraldiseisvatesse nanostruktuuridesse. teemandist valmistatud kapslid.
Töös meeskond eesotsas Charles Qiaoshi Zeng Euroopa HPSTAR allutati amorfse ja poorse süsiniku vormi proovile, mida tuntakse klaasja süsinikuna, 50 gigapaskali (ligikaudu 500 000 korda suurem kui Maa atmosfääri rõhk) rõhku, kuumutades seda argoongaasi juuresolekul peaaegu 1830 °C-ni. Kuigi klaasjas süsinik on algselt argoonile mitteläbilaskev, imab see seda kõrgel rõhul nagu käsn. Tulemuseks on nanokristalliline teemantkomposiit, mis säilitab argooni paljudes isoleeritud poorides isegi pärast selle eemaldamist kõrgsurveanumast, milles katse läbi viidi.
Kasutades kõrge eraldusvõimega elektronmikroskoopiat, leidis meeskond, et need poorid, mida nad nimetavad nanostruktureeritud teemantkapsliteks (NDC), sisaldavad kõrgsurve argooni "terakesi". aastal ilmunud artikli juhtiv autor Denise Zhidan Zeng loodus tulemusi kirjeldades ütleb, et see leid on oluline, sest siiani on olnud raske iseloomustada kõrgsurvega materjale kohapeal, kasutamata sonde, nagu kõvad röntgenikiirgused, mis võivad tungida läbi surveanumate paksude ja tugevate seinte. "Uued NDC-d võimaldavad meil sellest suuremahulisest seadmest loobuda, säilitades samal ajal kõrgsurvetingimused ja seega ka uuritavate materjalide kõrgsurveomadused," ütleb ta.
Teemantide inspiratsioon
Teadlased otsustasid kasutada teemanti, kuna erinevalt enamikust materjalidest säilitab see süsiniku vorm oma erakordsed mehaanilised ja optoelektroonilised omadused ümbritseva rõhu juures pärast seda, kui see moodustub kõrgemal. "Meid inspireerisid looduslikud geoloogilised teemantide kandmised ja leidsime, et teemant üksi on piisavalt tugev, et säilitada nendes kandmistes kõrget rõhku," selgitab Qiaoshi Zeng. "Seetõttu otsustasime teha sünteetilisi teemante, milles kõrge rõhu all olevad materjalid on õhukeses teemantümbrises kõrge rõhu all säilinud."
Uurijad leidsid, et nende NDC-d suudavad säilitada kuni kümnete GPa rõhku, kuigi kapslite seinad on vaid kümneid nanomeetreid paksused. Seinte õhemus võimaldab meeskonnal saada üksikasjalikku teavet aatom-/elektrooniliste struktuuride, sees olevate materjalide koostise ja sidumisomaduste kohta, kasutades kaasaegseid diagnostilisi sonde, sealhulgas erinevaid tehnikaid, mis põhinevad transmissioonielektronmikroskoopial (TEM) ja pehmel röntgenspektroskoopial. ei sobi muidu kõrgsurveanumatega.
Gaasi- ja vedelikuproovid
Traditsioonilised staatilised kõrgsurvetehnikad seavad piirangud ka proovi suurusele: mida kõrgem on rõhk, seda väiksem peab proov olema. Teine hiljuti välja töötatud tehnika saab sellest mööda, kasutades suure energiaga elektronkiirgust, et avaldada survet nanostruktureeritud süsiniku sisse kapseldatud tahketele osakestele, nagu süsinik-nanotorud (CNT), kuid Qiaoshi Zeng juhib tähelepanu sellele, et sellel tehnikal on olulised piirangud. Eelkõige on sihtmärgiks oleva tahke materjali osakese edukas sulgemine CNT-des ja seejärel sellele kiirgusega surve avaldamine tehniliselt keeruline isegi ideaalsetes katsetingimustes ning see pole gaasi- või vedelikuproovide puhul teostatav. "Seevastu meie NDC-de jaoks pole sellist piirangut, " ütleb QiaoshiZeng Füüsika maailm.
Detonatsiooniga nanoteemandid võivad anda rakkudesse nanoskaala termomeetriat
Ta lisab, et kõrgel rõhul on avastatud palju soovitavate omadustega materjale ja need uued materjalid oleksid eriti atraktiivsed, kui neid omadusi ümbritseva keskkonna tingimustes oleks võimalik säilitada. "Meie töö on oluline samm uudsete omaduste säilitamise suunas, mis ilmnevad ainult kõrgsurvematerjalides, näiteks ruumitemperatuuri ülijuhtivus, " ütleb ta.
Teadlased uurivad nüüd selle tehnika abil mitmesuguseid materjale, lootes säilitada need kõrgsurveseisundid NDC-des. "Samuti uurime oma kõrgsurvematerjalide sünteesi suurendamist," selgitab Qiaoshi Zeng.
