Korkeat paineet muuttavat dramaattisesti materiaalien ominaisuuksia ja joskus tuottavat fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia hyödyllisillä sovelluksilla. Ongelmana on, että nämä toivotut ominaisuudet yleensä häviävät, kun materiaalit poistuvat tilaa vievistä astioista, jotka mahdollistavat tällaiset korkeat paineet. Nyt Kiinan korkeapainetieteen ja teknologian kehittyneen tutkimuksen keskuksen HPSTAR (High Pressure Science and Technology Advanced Research) ja yhdysvaltalaisen Stanfordin yliopiston tutkijat ovat kuitenkin onnistuneet säilyttämään korkeapaineisten materiaalien ominaisuudet tällaisten astioiden ulkopuolella sulkemalla ne vapaasti seisoviin nanorakenteisiin. timantista valmistetut kapselit.
Työssä johtama tiimi Charles Qiaoshi Zeng että HPSTAR altistettiin lasimaisena hiilenä tunnetun hiilen amorfisen ja huokoisen muodon näytteelle 50 gigapascalin paine (noin 500 000 kertaa Maan ilmakehän paine) samalla kun se lämmitettiin lähes 1830 °C:seen argonkaasun läsnäollessa. Vaikka lasimainen hiili on alun perin argonia läpäisemätön, se imee sen kuin sieni korkeissa paineissa. Tuloksena on nanokiteinen timanttikomposiitti, joka säilyttää argonin lukuisissa eristetyissä huokosissa senkin jälkeen, kun se on poistettu korkeapaineastiasta, jossa koe suoritettiin.
Tiimi havaitsi korkearesoluutioisen transmissioelektronimikroskoopin avulla, että nämä huokoset, joita he kutsuvat nanorakenteisiksi timanttikapseleiksi (NDC), sisältävät korkeapaineisia argonin "rakeita". Denise Zhidan Zeng, artikkelin johtava kirjoittaja luonto kuvaamalla tuloksia, tämä havainto on tärkeä, koska tähän asti on ollut vaikeaa karakterisoida korkeapaineisia materiaaleja in situ turvautumatta koettimiin, kuten koviin röntgensäteisiin, jotka voivat tunkeutua paineastioiden paksujen, vahvojen seinien läpi. "Uudet NDC:t antavat meille mahdollisuuden päästä eroon tästä isosta laitteesta säilyttäen samalla korkeapaineolosuhteet ja siten tutkittavien materiaalien korkeapaineominaisuudet", hän sanoo.
Timantti-inspiraatiota
Tutkijat päättivät käyttää timanttia, koska toisin kuin useimmat materiaalit, tämä hiilen muoto säilyttää poikkeukselliset mekaaniset ja optoelektroniset ominaisuutensa ympäristön paineissa sen jälkeen, kun se muodostuu korkeammissa. "Meitä inspiroivat luonnolliset geologiset timanttisulkeumat ja huomasimme, että timantti on yksinään riittävän vahva ylläpitämään korkeaa painetta näissä sulkeumuksissa", Qiaoshi Zeng selittää. "Siksi päätimme tehdä synteettisiä timanttisulkeuksia, joissa korkeapaineiset materiaalit säilytetään korkealla rajoituspaineella ohuessa timanttikuoressa."
Tutkijat havaitsivat, että niiden NDC:t voivat ylläpitää jopa kymmenien GPa:n paineita, vaikka kapselien seinämät ovat vain kymmeniä nanometrejä paksuja. Seinien ohuus antaa tiimille mahdollisuuden saada yksityiskohtaista tietoa sisällä olevien materiaalien atomi-/elektronisista rakenteista, koostumuksesta ja sitoutumisluonteesta käyttämällä nykyaikaisia diagnostisia koettimia, mukaan lukien erilaiset tekniikat, jotka perustuvat transmissioelektronimikroskooppiin (TEM) ja pehmeään röntgenspektroskopiaan. ovat muuten yhteensopimattomia korkeapaineastioiden kanssa.
Kaasu- ja nestenäytteet
Perinteiset staattiset korkeapainetekniikat rajoittavat myös näytekokoa: mitä korkeampi paine, sitä pienempi näytteen tulee olla. Toinen äskettäin kehitetty tekniikka kiertää tämän käyttämällä korkean energian elektronisäteilytystä aiheuttamaan painetta nanorakenteisen hiilen sisään kapseloituihin kiinteisiin hiukkasiin, kuten hiilinanoputkiin (CNT), mutta Qiaoshi Zeng huomauttaa, että tällä tekniikalla on tärkeitä rajoituksia. Erityisesti kohteena olevan kiinteän materiaalin hiukkasen onnistunut sulkeminen CNT:iden sisällä ja sen jälkeen siihen kohdistuva paine säteilyllä on teknisesti haastavaa jopa ihanteellisissa koeolosuhteissa, eikä se ole mahdollista kaasu- tai nestenäytteille. "Päinvastoin, NDC:illemme ei ole tällaista rajoitusta", QiaoshiZeng kertoo Fysiikan maailma.
Räjähdysnanotimantit voisivat tuottaa nanomittakaavan lämpömittarin solujen sisään
Hän lisää, että monia materiaaleja, joilla on toivottuja ominaisuuksia, on löydetty korkeissa paineissa, ja nämä uudet materiaalit olisivat erityisen houkuttelevia, jos nämä ominaisuudet olisi mahdollista säilyttää ympäristön olosuhteissa. "Työmme on tärkeä askel kohti uusien ominaisuuksien säilyttämistä, jotka ilmenevät vain korkeapaineisissa materiaaleissa, kuten huoneenlämpötilassa suprajohtavuus", hän sanoo.
Tutkijat tutkivat nyt erilaisia materiaaleja tekniikalla toivoen säilyttää nämä korkeapainetilat NDC:issä. "Tutkimme myös korkeapaineisten materiaalien synteesin laajentamista", Qiaoshi Zeng paljastaa.
