Высокие давления резко изменяют свойства материалов, иногда создавая физические и химические характеристики с полезными приложениями. Проблема в том, что эти желательные свойства обычно исчезают, как только материалы покидают громоздкие сосуды, в которых возможно такое высокое давление. Однако теперь исследователям из Центра передовых исследований науки и технологий высокого давления (HPSTAR) в Китае и Стэнфордского университета в США удалось сохранить свойства материалов высокого давления за пределами таких сосудов, вместо этого заключив их в отдельно стоящие наноструктурированные материалы. капсулы из алмаза.
В работе коллектив под руководством Чарльз Цяоши Цзэн HPSTAR подверг образец аморфной и пористой формы углерода, известной как стеклоуглерод, давлению в 50 гигапаскалей (примерно в 500 000 раз больше, чем давление земной атмосферы) при нагревании его почти до 1830 °C в присутствии газообразного аргона. Хотя стеклоуглерод изначально непроницаем для аргона, он впитывает его, как губка, при высоких давлениях. В результате получается нанокристаллический алмазный композит, сохраняющий аргон в многочисленных изолированных порах даже после его извлечения из сосуда высокого давления, в котором проводился эксперимент.
Используя просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения, команда обнаружила, что эти поры, которые они называют наноструктурными алмазными капсулами (NDC), содержат «зерна» аргона под высоким давлением. Дениз Чжидан Цзэн, ведущий автор статьи в природа описывая результаты, говорит, что это открытие важно, потому что до сих пор было трудно охарактеризовать материалы высокого давления на месте, не прибегая к таким датчикам, как жесткое рентгеновское излучение, которое может проникать через толстые и прочные стенки сосудов под давлением. «Новые NDC позволяют нам избавиться от этого громоздкого устройства, сохраняя при этом условия высокого давления и, следовательно, свойства изучаемых материалов при высоком давлении», — говорит она.
Алмазное вдохновение
Исследователи решили использовать алмаз, потому что в отличие от большинства материалов, эта форма углерода сохраняет свои экстраординарные механические и оптоэлектронные свойства при атмосферном давлении после того, как она образуется при более высоких давлениях. «Нас вдохновили естественные геологические включения алмазов, и мы обнаружили, что алмаз сам по себе достаточно прочен, чтобы выдерживать высокое давление внутри этих включений», — объясняет Цяоши Цзэн. «Поэтому мы решили сделать синтетические алмазные включения, в которых материалы высокого давления сохраняются с высоким ограничивающим давлением в тонкой алмазной оболочке».
Исследователи обнаружили, что их NDC могут выдерживать давление до десятков ГПа, даже несмотря на то, что стенки капсул имеют толщину всего в десятки нанометров. Тонкость стенок позволяет команде получать подробную информацию об атомной/электронной структуре, составе и характере связи материалов внутри с помощью современных диагностических зондов, в том числе различных методов, основанных на просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и спектроскопии мягкого рентгеновского излучения. в противном случае несовместимы с сосудами высокого давления.
Пробы газа и жидкости
Традиционные методы статического высокого давления также накладывают ограничения на размер образца: чем выше давление, тем меньше должен быть образец. Другой недавно разработанный метод позволяет обойти эту проблему, используя облучение высокоэнергетическими электронами для оказания давления на твердые частицы, инкапсулированные внутри наноструктурированного углерода, такого как углеродные нанотрубки (УНТ), но Цяоши Цзэн отмечает, что этот метод имеет важные ограничения. В частности, успешная герметизация частицы твердого материала мишени внутри УНТ, а затем применение к ней давления с помощью излучения технически сложна даже в идеальных экспериментальных условиях и невозможна для газовых или жидких образцов. «Напротив, для наших NDC таких ограничений нет», — говорит QiaoshiZeng. Мир физики.
Детонационные наноалмазы могут обеспечивать наноразмерную термометрию внутри клеток
Он добавляет, что многие материалы с желаемыми свойствами были обнаружены при высоких давлениях, и эти новые материалы будут особенно привлекательными, если появится возможность сохранять эти свойства в условиях окружающей среды. «Наша работа — важный шаг к сохранению новых свойств, которые появляются только у материалов высокого давления, таких как сверхпроводимость при комнатной температуре», — говорит он.
В настоящее время исследователи изучают различные материалы, используя эту технику, в надежде сохранить эти состояния высокого давления в NDC. «Мы также рассматриваем возможность расширения нашего синтеза материалов высокого давления», — говорит Цяоши Цзэн.
