Hoge drukken veranderen de eigenschappen van materialen ingrijpend, waarbij soms fysische en chemische eigenschappen ontstaan met nuttige toepassingen. Het probleem is dat deze gewenste eigenschappen meestal verdwijnen zodra de materialen de omvangrijke vaten verlaten die zulke hoge drukken mogelijk maken. Nu zijn onderzoekers van het Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) in China en Stanford University in de VS er echter in geslaagd om de eigenschappen van hogedrukmaterialen buiten dergelijke vaten te behouden door ze in plaats daarvan op te sluiten in vrijstaande nanogestructureerde capsules gemaakt van diamant.
In het werk, een team onder leiding van Charles Qiaoshi Zengo van de HPSTAR onderwierp een monster van een amorfe en poreuze vorm van koolstof, bekend als glasachtige koolstof, aan een druk van 50 gigapascal (ongeveer 500 keer de druk van de aardatmosfeer) terwijl het werd verwarmd tot bijna 000 °C in aanwezigheid van argongas. Hoewel de glasachtige koolstof aanvankelijk ondoordringbaar is voor het argon, absorbeert het het als een spons bij hoge druk. Het resultaat is een nanokristallijn diamantcomposiet dat argon vasthoudt in talrijke geïsoleerde poriën, zelfs nadat het is verwijderd uit het hogedrukvat waarin het experiment werd uitgevoerd.
Met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie ontdekte het team dat deze poriën, die ze nanogestructureerde diamantcapsules (NDC's) noemen, hogedruk-"korrels" van argon bevatten. Denise Zhidan Zeng, de hoofdauteur van een paper in NATUUR Volgens de beschrijving van de resultaten is deze bevinding belangrijk omdat het tot nu toe moeilijk was om hogedrukmaterialen in situ te karakteriseren zonder toevlucht te nemen tot sondes zoals harde röntgenstralen die de dikke, sterke wanden van drukvaten kunnen doordringen. "Met de nieuwe NDC's kunnen we dit omvangrijke apparaat afschaffen terwijl we de hogedrukomstandigheden en dus de hogedrukeigenschappen van de materialen die worden bestudeerd behouden", zegt ze.
Diamant inspiratie
De onderzoekers kozen ervoor om diamant te gebruiken omdat, in tegenstelling tot de meeste materialen, deze vorm van koolstof zijn buitengewone mechanische en opto-elektronische eigenschappen behoudt bij omgevingsdrukken nadat het zich bij hogere druk heeft gevormd. "We werden geïnspireerd door natuurlijke geologische diamantinsluitingen en ontdekten dat alleen diamant sterk genoeg is om de hoge druk binnen deze insluitsels te handhaven", legt Qiaoshi Zeng uit. "Daarom hebben we besloten om synthetische diamantinsluitsels te maken waarin hogedrukmaterialen worden geconserveerd met een hoge opsluitdruk binnen een dunne diamanten envelop."
De onderzoekers ontdekten dat hun NDC's een druk tot tientallen GPa kunnen handhaven, ook al zijn de wanden van de capsules slechts tientallen nanometers dik. De dunheid van de wanden stelt het team in staat om gedetailleerde informatie te verkrijgen over de atomaire/elektronische structuren, samenstelling en hechting van de materialen binnenin met behulp van moderne diagnostische sondes, waaronder verschillende technieken op basis van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en zachte röntgenspectroscopie die zijn anders onverenigbaar met hogedrukvaten.
Gas- en vloeistofmonsters
Traditionele, statische hogedruktechnieken stellen ook grenzen aan de monstergrootte: hoe hoger de druk, hoe kleiner het monster moet zijn. Een andere recent ontwikkelde techniek omzeilt dit door hoogenergetische elektronenbestraling te gebruiken om druk uit te oefenen op vaste deeltjes die zijn ingekapseld in nanogestructureerde koolstof zoals koolstofnanobuisjes (CNT's), maar Qiaoshi Zeng wijst erop dat deze techniek belangrijke beperkingen heeft. Met name het succesvol afdichten van een doeldeeltje van vast materiaal in CNT's en er vervolgens druk op uitoefenen met straling is technisch uitdagend, zelfs onder ideale experimentele omstandigheden, en is niet haalbaar voor gas- of vloeistofmonsters. "Daarentegen is er geen dergelijke beperking voor onze NDC's", vertelt QiaoshiZeng Natuurkunde wereld.
Detonatie nanodiamanten kunnen thermometrie op nanoschaal in cellen leveren
Veel materialen met gewenste eigenschappen zijn ontdekt bij hoge drukken, voegt hij eraan toe, en deze nieuwe materialen zouden vooral aantrekkelijk zijn als het mogelijk wordt om deze eigenschappen onder omgevingsomstandigheden te behouden. "Ons werk is een belangrijke stap in de richting van het behoud van nieuwe eigenschappen die alleen voorkomen in materialen onder hoge druk, zoals supergeleiding bij kamertemperatuur", zegt hij.
De onderzoekers bestuderen nu een verscheidenheid aan materialen met behulp van de techniek in de hoop deze hogedruktoestanden in NDC's te behouden. "We onderzoeken ook hoe we onze synthese van hogedrukmaterialen kunnen opschalen", onthult Qiaoshi Zeng.
