Tekanan tinggi secara dramatis mengubah sifat bahan, terkadang menghasilkan karakteristik fisik dan kimia dengan aplikasi yang berguna. Masalahnya adalah bahwa sifat-sifat yang diinginkan ini biasanya hilang begitu bahan meninggalkan bejana besar yang memungkinkan tekanan tinggi seperti itu. Sekarang, bagaimanapun, para peneliti dari Pusat Penelitian Lanjutan Sains dan Teknologi Tekanan Tinggi (HPSTAR) di Cina dan Universitas Stanford di AS telah berhasil mempertahankan sifat-sifat bahan bertekanan tinggi di luar bejana tersebut dengan membatasi mereka dalam struktur nano yang berdiri bebas. kapsul yang terbuat dari berlian.
Dalam pengerjaannya, tim yang dipimpin oleh Charles Qiaoshi Zeng dari HPSTAR menguji sampel karbon amorf dan berpori yang dikenal sebagai karbon kaca pada tekanan 50 gigapascal (kira-kira 500 kali tekanan atmosfer bumi) sambil memanaskannya hingga hampir 000 °C dengan adanya gas argon. Meskipun karbon kaca awalnya kedap terhadap argon, ia menyerapnya seperti spons pada tekanan tinggi. Hasilnya adalah komposit berlian nanokristalin yang mempertahankan argon di banyak pori-pori yang terisolasi bahkan setelah dikeluarkan dari bejana bertekanan tinggi tempat eksperimen dilakukan.
Menggunakan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi, tim menemukan bahwa pori-pori ini, yang mereka sebut kapsul berlian berstruktur nano (NDC), mengandung "butiran" argon bertekanan tinggi. Denise Zhidan Zeng, penulis utama makalah di Alam menjelaskan hasil, mengatakan temuan ini penting karena sampai sekarang, sulit untuk mengkarakterisasi bahan bertekanan tinggi in-situ tanpa menggunakan probe seperti sinar-X keras yang dapat menembus dinding tebal bejana tekan yang kuat. “NDC baru memungkinkan kami untuk menghilangkan peralatan besar ini sambil mempertahankan kondisi tekanan tinggi dan oleh karena itu sifat tekanan tinggi dari bahan yang sedang dipelajari,” katanya.
Inspirasi berlian
Para peneliti memilih untuk menggunakan berlian karena tidak seperti kebanyakan bahan, bentuk karbon ini mempertahankan sifat mekanik dan optoelektroniknya yang luar biasa pada tekanan sekitar setelah terbentuk pada tekanan yang lebih tinggi. “Kami terinspirasi oleh inklusi berlian geologis alami dan menemukan bahwa berlian saja cukup kuat untuk mempertahankan tekanan tinggi di dalam inklusi ini,” jelas Qiaoshi Zeng. “Oleh karena itu, kami memutuskan untuk membuat inklusi berlian sintetis di mana bahan bertekanan tinggi diawetkan dengan tekanan pembatas tinggi di dalam amplop berlian tipis.”
Para peneliti menemukan bahwa NDC mereka dapat mempertahankan tekanan hingga puluhan GPa meskipun dinding kapsul hanya setebal puluhan nanometer. Ketipisan dinding memungkinkan tim untuk memperoleh informasi rinci tentang struktur atom/elektronik, komposisi dan sifat ikatan bahan di dalam menggunakan probe diagnostik modern, termasuk berbagai teknik berdasarkan mikroskop elektron transmisi (TEM) dan spektroskopi sinar-X lembut yang sebaliknya tidak sesuai dengan bejana bertekanan tinggi.
Sampel gas dan cairan
Teknik tradisional bertekanan tinggi statis juga membatasi ukuran sampel: semakin tinggi tekanan, semakin kecil sampel yang dibutuhkan. Teknik lain yang dikembangkan baru-baru ini menyiasatinya dengan menggunakan iradiasi elektron berenergi tinggi untuk memberikan tekanan pada partikel padat yang dienkapsulasi di dalam karbon berstrukturnano seperti karbon nanotube (CNT), tetapi Qiaoshi Zeng menunjukkan bahwa teknik ini memiliki batasan penting. Secara khusus, berhasil menyegel partikel bahan padat target di dalam CNT dan kemudian menerapkan tekanan padanya dengan radiasi secara teknis menantang bahkan di bawah kondisi eksperimental yang ideal, dan tidak layak untuk sampel gas atau cair. “Sebaliknya, tidak ada batasan seperti itu untuk NDC kami,” kata QiaoshiZeng Dunia Fisika.
Nanodiamond peledakan dapat menghasilkan termometri skala nano di dalam sel
Banyak bahan dengan sifat yang diinginkan telah ditemukan pada tekanan tinggi, tambahnya, dan bahan baru ini akan sangat menarik jika dimungkinkan untuk mempertahankan sifat ini di bawah kondisi sekitar. “Pekerjaan kami merupakan langkah penting untuk mempertahankan sifat baru yang hanya muncul dalam bahan bertekanan tinggi, seperti superkonduktivitas suhu kamar,” katanya.
Para peneliti sekarang mempelajari berbagai bahan menggunakan teknik dengan harapan mempertahankan keadaan bertekanan tinggi ini di NDC. “Kami juga sedang mempertimbangkan untuk meningkatkan sintesis material bertekanan tinggi kami,” ungkap Qiaoshi Zeng.
