แรงกดดันสูงเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของวัสดุอย่างมาก บางครั้งทำให้เกิดลักษณะทางกายภาพและทางเคมีด้วยการใช้งานที่มีประโยชน์ ปัญหาคือคุณสมบัติที่พึงประสงค์เหล่านี้มักจะหายไปเมื่อวัสดุออกจากภาชนะขนาดใหญ่ที่ทำให้เกิดแรงกดดันสูงได้ อย่างไรก็ตาม ขณะนี้ นักวิจัยจากศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์แรงดันสูงและเทคโนโลยีขั้นสูง (HPSTAR) ในประเทศจีนและมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดในสหรัฐฯ ประสบความสำเร็จในการรักษาคุณสมบัติของวัสดุแรงดันสูงภายนอกภาชนะดังกล่าว โดยให้กักขังไว้ในโครงสร้างนาโนแบบลอยอิสระแทน แคปซูลทำจากเพชร
ในการทำงานมีทีมงานนำโดย ชาร์ลส์ เฉียโอชิ เซง ของ เอชพีสตาร์ ทดลองกับตัวอย่างคาร์บอนอสัณฐานและรูพรุนที่เรียกว่าคาร์บอนคล้ายแก้ว ที่ความดัน 50 กิกะปาสคาล (ประมาณ 500 เท่าของความดันบรรยากาศโลก) ในขณะที่ให้ความร้อนเกือบ 000 °C เมื่อมีก๊าซอาร์กอน แม้ว่าในตอนแรกคาร์บอนที่เป็นแก้วจะซึมผ่านอาร์กอนไม่ได้ แต่ก็ดูดซับได้เหมือนฟองน้ำที่แรงดันสูง ผลที่ได้คือคอมโพสิตไดมอนด์นาโนคริสตัลที่กักเก็บอาร์กอนไว้ในรูพรุนที่แยกออกมาจำนวนมาก แม้จะถอดออกจากภาชนะแรงดันสูงที่ทำการทดลอง
ทีมวิจัยได้ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านที่มีความละเอียดสูง ซึ่งพวกเขาเรียกว่าแคปซูลเพชรที่มีโครงสร้างนาโน (Nanostructured Diamond Capsules - NDCs) มี "เกรน" ที่มีแรงดันสูงของอาร์กอน Denise Zhidan Zeng ผู้เขียนนำบทความใน ธรรมชาติ จากการอธิบายผลลัพธ์ กล่าวว่าการค้นพบนี้มีความสำคัญ เนื่องจากจนถึงขณะนี้ เป็นการยากที่จะระบุลักษณะของวัสดุแรงดันสูงในแหล่งกำเนิดโดยไม่ต้องอาศัยโพรบ เช่น รังสีเอกซ์แบบแข็งที่สามารถทะลุผ่านผนังที่หนาและแข็งแรงของภาชนะรับความดันได้ "NDCs ใหม่ช่วยให้เราเลิกใช้อุปกรณ์ขนาดใหญ่นี้ในขณะที่ยังคงรักษาสภาวะที่มีแรงดันสูงและด้วยเหตุนี้คุณสมบัติความดันสูงของวัสดุที่กำลังศึกษาอยู่" เธอกล่าว
แรงบันดาลใจเพชร
นักวิจัยเลือกใช้เพชรเนื่องจากไม่เหมือนกับวัสดุส่วนใหญ่ คาร์บอนรูปแบบนี้ยังคงคุณสมบัติทางกลและออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่ธรรมดาไว้ที่ความดันบรรยากาศหลังจากที่มันก่อตัวขึ้นที่ระดับที่สูงขึ้น “เราได้รับแรงบันดาลใจจากการรวมเพชรทางธรณีวิทยาตามธรรมชาติ และพบว่าเพชรเพียงอย่างเดียวนั้นแข็งแกร่งพอที่จะรักษาแรงกดดันสูงภายในการรวมเหล่านี้” Qiaoshi Zeng อธิบาย “ดังนั้นเราจึงตัดสินใจที่จะรวมเพชรสังเคราะห์ซึ่งวัสดุที่มีแรงดันสูงจะถูกเก็บรักษาไว้ด้วยแรงดันที่จำกัดสูงภายในซองเพชรบาง”
นักวิจัยพบว่า NDC ของพวกเขาสามารถรักษาแรงกดดันได้สูงถึง XNUMX GPa แม้ว่าผนังของแคปซูลจะมีความหนาเพียงสิบนาโนเมตร ความบางของผนังช่วยให้ทีมได้รับข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอม/อิเล็กทรอนิกส์ องค์ประกอบ และลักษณะการยึดติดของวัสดุภายในโดยใช้หัววัดการวินิจฉัยที่ทันสมัย รวมถึงเทคนิคต่างๆ ที่ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) และเอ็กซ์เรย์แบบอ่อนที่ มิฉะนั้นจะเข้ากันไม่ได้กับภาชนะรับความดันสูง
ตัวอย่างก๊าซและของเหลว
เทคนิคแรงดันสูงแบบสถิตแบบดั้งเดิมยังจำกัดขนาดของตัวอย่างด้วย ยิ่งความดันสูงเท่าใด ตัวอย่างก็จะยิ่งมีขนาดเล็กลงเท่านั้น อีกเทคนิคที่พัฒนาขึ้นเมื่อเร็ว ๆ นี้ได้รับสิ่งนี้โดยใช้การฉายรังสีอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงเพื่อสร้างแรงกดดันต่ออนุภาคของแข็งที่ห่อหุ้มภายในคาร์บอนที่มีโครงสร้างนาโนเช่นคาร์บอนนาโนทิวบ์ (CNTs) แต่ Qiaoshi Zeng ชี้ให้เห็นว่าเทคนิคนี้มีข้อจำกัดที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การปิดผนึกอนุภาควัสดุที่เป็นของแข็งเป้าหมายภายใน CNT ได้สำเร็จ จากนั้นใช้แรงกดกับอนุภาคด้วยการแผ่รังสีนั้นท้าทายทางเทคนิคแม้ภายใต้สภาวะการทดลองในอุดมคติ และไม่สามารถทำได้สำหรับตัวอย่างก๊าซหรือของเหลว “ในทางตรงกันข้าม ไม่มีข้อจำกัดดังกล่าวสำหรับ NDC ของเรา” QiaoshiZeng บอก โลกฟิสิกส์.
การระเบิดของนาโนไดมอนด์สามารถส่งเทอร์โมมิเตอร์ระดับนาโนภายในเซลล์ได้
เขาเสริมว่าวัสดุจำนวนมากที่มีคุณสมบัติเป็นที่ต้องการนั้นถูกค้นพบที่ความดันสูง และวัสดุใหม่เหล่านี้จะมีความน่าสนใจเป็นพิเศษหากสามารถคงคุณสมบัติเหล่านี้ไว้ภายใต้สภาวะแวดล้อมได้ “งานของเราเป็นขั้นตอนสำคัญในการรักษาคุณสมบัติใหม่ที่เกิดขึ้นในวัสดุที่มีความดันสูงเท่านั้น เช่น ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง” เขากล่าว
ขณะนี้นักวิจัยกำลังศึกษาวัสดุหลากหลายประเภทโดยใช้เทคนิคนี้โดยหวังว่าจะรักษาสภาวะแรงดันสูงเหล่านี้ไว้ใน NDCs “เรากำลังพิจารณาที่จะขยายขนาดการสังเคราะห์วัสดุที่มีความดันสูงของเราด้วย” เฉียวซี เซงเผย
