A nagy nyomás drámaian megváltoztatja az anyagok tulajdonságait, és néha fizikai és kémiai jellemzőket hoz létre hasznos alkalmazásokkal. A probléma az, hogy ezek a kívánatos tulajdonságok általában eltűnnek, amint az anyagok elhagyják a terjedelmes edényeket, amelyek ilyen nagy nyomást tesznek lehetővé. Most azonban a Kínai Nagynyomású Tudományos és Technológiai Fejlett Kutatási Központ (HPSTAR) és az amerikai Stanford Egyetem kutatóinak sikerült megőrizniük a nagynyomású anyagok tulajdonságait az ilyen edényeken kívül, ehelyett szabadon álló nanoszerkezetű anyagokba zárták őket. gyémántból készült kapszulák.
A munkában egy csapat vezetett Charles Qiaoshi Zeng az HPSTAR üvegszerű szénként ismert amorf és porózus szénformájú mintát 50 gigapascal nyomásnak (körülbelül 500 000-szerese a Föld légkörének nyomásának), miközben argongáz jelenlétében közel 1830 °C-ra melegítette. Bár az üveges szén kezdetben áthatolhatatlan az argon számára, nagy nyomáson szivacsszerűen felszívja. Az eredmény egy nanokristályos gyémánt kompozit, amely számos izolált pórusban megtartja az argont még azután is, hogy eltávolították a nagynyomású edényből, amelyben a kísérletet végezték.
Nagy felbontású transzmissziós elektronmikroszkóppal a csapat megállapította, hogy ezek a pórusok, amelyeket nanostrukturált gyémánt kapszulának (NDC) neveznek, nagy nyomású argon "szemcséket" tartalmaznak. Denise Zhidan Zeng, egy tanulmány vezető szerzője Természet Az eredményeket leírva azt mondja, ez a megállapítás azért fontos, mert eddig nehéz volt in situ jellemezni a nagynyomású anyagokat anélkül, hogy olyan szondákhoz folyamodtak volna, mint például a kemény röntgensugarak, amelyek áthatolnak a nyomástartó edények vastag, erős falán. "Az új NDC-k lehetővé teszik számunkra, hogy megszüntetjük ezt a terjedelmes berendezést, miközben fenntartjuk a nagynyomású feltételeket, és ezáltal a vizsgált anyagok nagynyomású tulajdonságait" - mondja.
Gyémánt inspiráció
A kutatók a gyémánt használatát választották, mert a legtöbb anyaggal ellentétben ez a szénforma megőrzi rendkívüli mechanikai és optoelektronikai tulajdonságait környezeti nyomáson, miután magasabb nyomáson kialakul. „A természetes geológiai gyémántzárványok inspiráltak bennünket, és azt találtuk, hogy a gyémánt önmagában elég erős ahhoz, hogy fenntartsa a magas nyomást ezekben a zárványokban” – magyarázza Qiaoshi Zeng. "Ezért úgy döntöttünk, hogy szintetikus gyémántzárványokat készítünk, amelyekben a nagy nyomású anyagokat nagy nyomással konzerválják egy vékony gyémánt burokban."
A kutatók azt találták, hogy NDC-jeik akár több tíz GPa nyomást is képesek fenntartani, még akkor is, ha a kapszulák fala mindössze tíz nanométer vastag. A falak vékonysága lehetővé teszi a csapat számára, hogy a modern diagnosztikai szondák segítségével részletes információkat szerezzen a benne lévő anyagok atomi/elektronikus szerkezetéről, összetételéről és kötési jellegéről, beleértve a transzmissziós elektronmikroszkópián (TEM) és a lágy röntgenspektroszkópián alapuló különféle technikákat. egyébként nem kompatibilisek a nagynyomású edényekkel.
Gáz- és folyadékminták
A hagyományos, statikus nagynyomású technikák is korlátozzák a minta méretét: minél nagyobb a nyomás, annál kisebbnek kell lennie a mintának. Egy másik, nemrégiben kifejlesztett technika megkerüli ezt azáltal, hogy nagy energiájú elektronbesugárzással nyomást gyakorol a nanostrukturált szénbe burkolt szilárd részecskékre, mint például a szén nanocsövekre (CNT), de Qiaoshi Zeng rámutat, hogy ennek a technikának vannak fontos korlátai. Különösen a megcélzott szilárd anyagrészecskék sikeres lezárása a CNT-kben, majd sugárzással nyomás alkalmazása technikailag még ideális kísérleti körülmények között is kihívást jelent, és gáz- vagy folyadékminták esetében nem kivitelezhető. „Ezzel szemben NDC-ink számára nincs ilyen korlátozás” – mondja QiaoshiZeng Fizika Világa.
A detonációs nanogyémántok nanoméretű hőmérőt szállíthatnak a sejtek belsejébe
Hozzáteszi, sok kívánatos tulajdonságú anyagot fedeztek fel nagy nyomáson, és ezek az új anyagok különösen vonzóak lennének, ha környezeti körülmények között is meg lehet őrizni ezeket a tulajdonságokat. „Munkánk fontos lépés az olyan újdonságok megőrzése felé, amelyek csak a nagynyomású anyagoknál jelentkeznek, mint például a szobahőmérsékletű szupravezetés” – mondja.
A kutatók jelenleg különféle anyagokat tanulmányoznak a technika segítségével, annak reményében, hogy megőrzik ezeket a nagynyomású állapotokat az NDC-kben. „Azt is vizsgáljuk, hogy növeljük a nagynyomású anyagok szintézisét” – árulta el Qiaoshi Zeng.
