Höga tryck förändrar dramatiskt materialens egenskaper och ger ibland fysiska och kemiska egenskaper med användbara tillämpningar. Problemet är att dessa önskvärda egenskaper vanligtvis försvinner när materialen lämnar de skrymmande kärlen som möjliggör så höga tryck. Nu har dock forskare från Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) i Kina och Stanford University i USA lyckats bibehålla egenskaperna hos högtrycksmaterial utanför sådana kärl genom att istället begränsa dem i fristående nanostrukturerade kapslar gjorda av diamant.
I arbetet har ett team ledd av Charles Qiaoshi Zeng av HPSTAR utsatt ett prov av en amorf och porös form av kol som kallas glasartat kol för ett tryck på 50 gigapascal (ungefär 500 000 gånger trycket från jordens atmosfär) samtidigt som det värmdes upp till nästan 1830 °C i närvaro av argongas. Även om det glasartade kolet initialt är ogenomträngligt för argon, absorberar det det som en svamp vid höga tryck. Resultatet är en nanokristallin diamantkomposit som bibehåller argon i många isolerade porer även efter att den avlägsnats från högtryckskärlet där experimentet utfördes.
Med hjälp av högupplöst transmissionselektronmikroskopi fann teamet att dessa porer, som de kallar nanostrukturerade diamantkapslar (NDC), innehåller högtrycks "korn" av argon. Denise Zhidan Zeng, huvudförfattare till en artikel i Natur beskriver resultaten och säger att detta fynd är viktigt eftersom det hittills har varit svårt att karakterisera högtrycksmaterial på plats utan att tillgripa sonder som hårda röntgenstrålar som kan penetrera de tjocka, starka väggarna i tryckkärl. "De nya NDC:erna tillåter oss att göra oss av med denna skrymmande apparat samtidigt som vi bibehåller högtrycksförhållandena och därmed högtrycksegenskaperna hos materialen som studeras", säger hon.
Diamantinspiration
Forskarna valde att använda diamant eftersom till skillnad från de flesta material behåller denna form av kol sina extraordinära mekaniska och optoelektroniska egenskaper vid omgivningstryck efter att den bildats vid högre. "Vi inspirerades av naturliga geologiska diamantinneslutningar och fann att enbart diamant är tillräckligt stark för att upprätthålla höga tryck inom dessa inneslutningar," förklarar Qiaoshi Zeng. "Vi beslutade därför att göra syntetiska diamantinneslutningar där högtrycksmaterial bevaras med ett högt begränsande tryck i ett tunt diamanthölje."
Forskarna fann att deras NDC kan upprätthålla tryck på upp till tiotals GPa även om kapslarnas väggar bara är tiotals nanometer tjocka. Väggarnas tunnhet gör det möjligt för teamet att få detaljerad information om atomära/elektroniska strukturer, sammansättning och bindningsnatur hos materialen inuti med hjälp av moderna diagnostiska sonder, inklusive olika tekniker baserade på transmissionselektronmikroskopi (TEM) och mjukröntgenspektroskopi som är annars oförenliga med högtryckskärl.
Gas- och vätskeprover
Traditionella, statiska högtryckstekniker sätter också gränser för provstorlekar: ju högre tryck, desto mindre måste provet vara. En annan nyligen utvecklad teknik kommer runt detta genom att använda högenergielektronbestrålning för att införa tryck på fasta partiklar inkapslade inuti nanostrukturerat kol som kolnanorör (CNT), men Qiaoshi Zeng påpekar att denna teknik har viktiga begränsningar. I synnerhet är det tekniskt utmanande att framgångsrikt försegla en målpartikel av fast material inuti CNTs och sedan applicera tryck på den med strålning även under idealiska experimentella förhållanden, och det är inte möjligt för gas- eller vätskeprover. "Däremot finns det ingen sådan begränsning för våra NDCs," säger QiaoshiZeng Fysikvärlden.
Detonerande nanodiamanter kan leverera termometri i nanoskala inuti celler
Många material med önskvärda egenskaper har upptäckts vid höga tryck, tillägger han, och dessa nya material skulle vara särskilt attraktiva om det blir möjligt att behålla dessa egenskaper under omgivande förhållanden. "Vårt arbete är ett viktigt steg mot att bibehålla nya egenskaper som bara uppstår i högtrycksmaterial, såsom supraledning vid rumstemperatur", säger han.
Forskarna studerar nu en mängd olika material som använder tekniken i hopp om att bevara dessa högtryckstillstånd i NDC. "Vi tittar också på att skala upp vår högtrycksmaterialsyntes", avslöjar Qiaoshi Zeng.
