Altas pressões alteram drasticamente as propriedades dos materiais, às vezes produzindo características físicas e químicas com aplicações úteis. O problema é que essas propriedades desejáveis geralmente desaparecem quando os materiais deixam os vasos volumosos que tornam possíveis pressões tão altas. Agora, no entanto, pesquisadores do Centro de Pesquisa Avançada em Ciência e Tecnologia de Alta Pressão (HPSTAR) na China e na Universidade de Stanford nos EUA conseguiram manter as propriedades de materiais de alta pressão fora desses vasos, confinando-os em nanoestruturas independentes. cápsulas feitas de diamante.
No trabalho, uma equipe liderada por Carlos Qiaoshi Zeng da HPSTAR submeteu uma amostra de uma forma amorfa e porosa de carbono conhecida como carbono vítreo a uma pressão de 50 gigapascals (aproximadamente 500 vezes a pressão da atmosfera da Terra) enquanto a aqueceu a quase 000°C na presença de gás argônio. Embora o carbono vítreo seja inicialmente impermeável ao argônio, ele o absorve como uma esponja em altas pressões. O resultado é um compósito de diamante nanocristalino que retém argônio em vários poros isolados mesmo depois de removido do vaso de alta pressão no qual o experimento foi realizado.
Usando microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução, a equipe descobriu que esses poros, que eles chamam de cápsulas de diamante nanoestruturadas (NDCs), contêm “grãos” de argônio de alta pressão. Denise Zhidan Zeng, principal autora de um artigo em Natureza descrevendo os resultados, diz que esta descoberta é importante porque, até agora, tem sido difícil caracterizar materiais de alta pressão in-situ sem recorrer a sondas como raios-X duros que podem penetrar nas paredes espessas e fortes dos vasos de pressão. “Os novos NDCs nos permitem acabar com esse aparelho volumoso, mantendo as condições de alta pressão e, portanto, as propriedades de alta pressão dos materiais em estudo”, diz ela.
Inspiração de diamante
Os pesquisadores escolheram usar o diamante porque, ao contrário da maioria dos materiais, essa forma de carbono retém suas extraordinárias propriedades mecânicas e optoeletrônicas em pressões ambientes após se formar em pressões mais altas. “Fomos inspirados por inclusões geológicas naturais de diamantes e descobrimos que o diamante sozinho é forte o suficiente para manter altas pressões dentro dessas inclusões”, explica Qiaoshi Zeng. “Decidimos, portanto, fazer inclusões de diamantes sintéticos nas quais os materiais de alta pressão são preservados com uma alta pressão de confinamento dentro de um fino envelope de diamante.”
Os pesquisadores descobriram que seus NDCs podem manter pressões de até dezenas de GPa, mesmo que as paredes das cápsulas tenham apenas dezenas de nanômetros de espessura. A espessura das paredes permite que a equipe obtenha informações detalhadas sobre as estruturas atômicas/eletrônicas, composição e natureza de ligação dos materiais internos usando sondas de diagnóstico modernas, incluindo várias técnicas baseadas em microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e espectroscopia de raios X macios que são incompatíveis com vasos de alta pressão.
Amostras de gás e líquido
As técnicas tradicionais e estáticas de alta pressão também impõem limites aos tamanhos das amostras: quanto maior a pressão, menor a amostra precisa ser. Outra técnica recentemente desenvolvida contorna isso usando irradiação de elétrons de alta energia para introduzir pressão em partículas sólidas encapsuladas dentro de carbono nanoestruturado, como nanotubos de carbono (CNTs), mas Qiaoshi Zeng ressalta que essa técnica tem restrições importantes. Em particular, selar com sucesso uma partícula de material sólido alvo dentro de CNTs e, em seguida, aplicar pressão a ela com radiação é tecnicamente desafiador, mesmo sob condições experimentais ideais, e não é viável para amostras de gás ou líquido. “Em contraste, não existe essa limitação para nossos NDCs”, diz QiaoshiZeng Mundo da física.
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Muitos materiais com propriedades desejáveis foram descobertos em altas pressões, acrescenta ele, e esses novos materiais seriam especialmente atraentes se for possível reter essas propriedades em condições ambientais. “Nosso trabalho é um passo importante para reter novas propriedades que só surgem em materiais de alta pressão, como supercondutividade à temperatura ambiente”, diz ele.
Os pesquisadores estão agora estudando uma variedade de materiais usando a técnica com a esperança de preservar esses estados de alta pressão em NDCs. “Também estamos buscando ampliar nossa síntese de materiais de alta pressão”, revela Qiaoshi Zeng.
