Yüksek basınçlar, malzemelerin özelliklerini önemli ölçüde değiştirir, bazen faydalı uygulamalarla fiziksel ve kimyasal özellikler üretir. Sorun, bu arzu edilen özelliklerin genellikle, malzemelerin bu kadar yüksek basınçları mümkün kılan hacimli kapları terk etmesiyle ortadan kalkmasıdır. Ancak şimdi, Çin'deki Yüksek Basınçlı Bilim ve Teknoloji İleri Araştırma Merkezi'nden (HPSTAR) ve ABD'deki Stanford Üniversitesi'nden araştırmacılar, yüksek basınçlı malzemelerin özelliklerini, serbest duran nanoyapılı kaplar yerine bu tür kapların dışında korumayı başardılar. elmastan yapılmış kapsüller.
Çalışmada, liderliğindeki bir ekip Charles Qiaoshi Zeng arasında HPSTAR camsı karbon olarak bilinen amorf ve gözenekli bir karbon örneğini, argon gazı varlığında yaklaşık 50 °C'ye ısıtırken 500 gigapaskal (Dünya atmosferinin basıncının yaklaşık 000 katı) bir basınca maruz bıraktı. Camsı karbon başlangıçta argon için geçirimsiz olmasına rağmen, yüksek basınçlarda onu bir sünger gibi emer. Sonuç, deneyin gerçekleştirildiği yüksek basınçlı kaptan çıkarıldıktan sonra bile argonu çok sayıda izole gözenekte tutan nanokristalin elmas bir kompozittir.
Ekip, yüksek çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskobu kullanarak, nanoyapılı elmas kapsüller (NDC'ler) olarak adlandırdıkları bu gözeneklerin yüksek basınçlı argon "taneleri" içerdiğini buldu. Denise Zhidan Zeng, bir makalenin baş yazarı Tabiat Sonuçları açıklarken, bu bulgunun önemli olduğunu, çünkü şimdiye kadar, basınçlı kapların kalın, güçlü duvarlarına nüfuz edebilen sert X ışınları gibi sondalara başvurmadan yüksek basınçlı malzemeleri yerinde karakterize etmenin zor olduğunu söylüyor. "Yeni NDC'ler, yüksek basınç koşullarını ve dolayısıyla incelenen malzemelerin yüksek basınç özelliklerini korurken bu hacimli aparattan kurtulmamıza izin veriyor" diyor.
Elmas ilham
Araştırmacılar elmas kullanmayı seçti çünkü çoğu malzemenin aksine bu karbon formu, daha yüksek basınçlarda oluştuktan sonra ortam basınçlarında olağanüstü mekanik ve optoelektronik özelliklerini koruyor. Qiaoshi Zeng, "Doğal jeolojik elmas kapanımlarından ilham aldık ve elmasın tek başına bu kalıntılar içinde yüksek basınçları sürdürmek için yeterince güçlü olduğunu gördük" diye açıklıyor. "Bu nedenle, yüksek basınçlı malzemelerin ince bir elmas zarf içinde yüksek bir sınırlama basıncıyla korunduğu sentetik elmas kapanımları yapmaya karar verdik."
Araştırmacılar, kapsüllerin duvarlarının sadece onlarca nanometre kalınlığında olmasına rağmen, NDC'lerinin onlarca GPa'ya kadar basınçları koruyabildiğini buldular. Duvarların inceliği, ekibin, transmisyon elektron mikroskobu (TEM) ve yumuşak X-ışını spektroskopisine dayalı çeşitli teknikler de dahil olmak üzere modern teşhis problarını kullanarak içerideki malzemelerin atomik/elektronik yapıları, bileşimi ve bağ yapısı hakkında ayrıntılı bilgi elde etmesini sağlar. aksi takdirde yüksek basınçlı kaplarla uyumlu değildir.
Gaz ve sıvı numuneleri
Geleneksel, statik yüksek basınç teknikleri de numune boyutlarına sınırlar koyar: basınç ne kadar yüksekse numunenin o kadar küçük olması gerekir. Yakın zamanda geliştirilen başka bir teknik, karbon nanotüpler (CNT'ler) gibi nano yapılı karbon içinde kapsüllenmiş katı parçacıklar üzerinde basınç uygulamak için yüksek enerjili elektron ışıması kullanarak bu sorunu çözer, ancak Qiaoshi Zeng bu tekniğin önemli kısıtlamalara sahip olduğuna işaret eder. Özellikle, hedef bir katı madde parçacığını CNT'lerin içinde başarılı bir şekilde yalıtmak ve ardından radyasyonla ona basınç uygulamak, ideal deney koşulları altında bile teknik olarak zordur ve gaz veya sıvı numuneler için uygun değildir. QiaoshiZeng, “Aksine, NDC'lerimiz için böyle bir sınırlama yok” diyor. Fizik dünyası.
Patlama nanodiamonds, hücrelerin içinde nano ölçekli termometri sağlayabilir
Arzu edilen özelliklere sahip birçok malzemenin yüksek basınçlarda keşfedildiğini ve bu özelliklerin ortam koşullarında muhafaza edilmesinin mümkün hale gelmesi halinde bu yeni malzemelerin özellikle çekici olacağını ekliyor. “Çalışmamız, oda sıcaklığında süper iletkenlik gibi yalnızca yüksek basınçlı malzemelerde ortaya çıkan yeni özellikleri korumaya yönelik önemli bir adım” diyor.
Araştırmacılar şimdi NDC'lerde bu yüksek basınç durumlarını koruma umuduyla tekniği kullanarak çeşitli materyaller üzerinde çalışıyorlar. Qiaoshi Zeng, "Ayrıca yüksek basınçlı malzeme sentezimizi büyütmeyi de düşünüyoruz" diye açıklıyor.
