Високий тиск різко змінює властивості матеріалів, інколи створюючи фізичні та хімічні характеристики з корисними застосуваннями. Проблема полягає в тому, що ці бажані властивості зазвичай зникають, коли матеріали залишають громіздкі судини, які роблять можливим такий високий тиск. Однак тепер дослідникам із Центру наукових і технологічних передових досліджень високого тиску (HPSTAR) у Китаї та Стенфордського університету в США вдалося зберегти властивості матеріалів під високим тиском за межами таких посудин, натомість обмеживши їх у окремо розташованих наноструктурованих капсули з алмазу.
У роботі колектив під керівництвом Чарльз Цяоші Цзен в HPSTAR піддали зразок аморфної та пористої форми вуглецю, відомого як склоподібний вуглець, тиску 50 гігапаскалів (приблизно в 500 000 разів перевищує тиск земної атмосфери), нагріваючи його майже до 1830 °C у присутності газу аргону. Хоча скловуглець спочатку непроникний для аргону, він поглинає його як губка під високим тиском. Результатом є нанокристалічний алмазний композит, який утримує аргон у численних ізольованих порах навіть після того, як його видаляють із посудини високого тиску, у якій проводився експеримент.
Використовуючи трансмісійну електронну мікроскопію з високою роздільною здатністю, команда виявила, що ці пори, які вони називають наноструктурованими алмазними капсулами (NDC), містять «зерна» аргону під високим тиском. Деніз Жідан Зен, провідний автор статті в природа описуючи результати, каже, що це відкриття є важливим, оскільки досі було важко охарактеризувати матеріали під високим тиском на місці, не вдаючись до таких зондів, як жорстке рентгенівське випромінювання, яке може проникати крізь товсті міцні стінки посудин під тиском. «Нові НДЦ дозволяють нам відмовитися від цього громіздкого апарату, зберігаючи умови високого тиску, а отже, властивості високого тиску досліджуваних матеріалів», — каже вона.
Діамантове натхнення
Дослідники вирішили використовувати алмаз, тому що, на відміну від більшості матеріалів, ця форма вуглецю зберігає свої надзвичайні механічні та оптоелектронні властивості при тиску навколишнього середовища після того, як утворюється при більш високому. «Нас надихнули природні геологічні алмазні включення, і ми виявили, що сам по собі алмаз достатньо міцний, щоб підтримувати високий тиск у цих включеннях», — пояснює Цяоші Цзен. «Тому ми вирішили створити синтетичні алмазні включення, в яких матеріали під високим тиском зберігаються з високим утримуючим тиском у тонкій алмазній оболонці».
Дослідники виявили, що їхні NDC можуть підтримувати тиск до десятків ГПа, навіть якщо товщина стінок капсул становить лише десятки нанометрів. Тонкість стінок дозволяє команді отримати детальну інформацію про атомну/електронну структуру, склад і природу зв’язку матеріалів усередині за допомогою сучасних діагностичних зондів, включаючи різні методи, засновані на трансмісійній електронній мікроскопії (ТЕМ) і м’якій рентгенівській спектроскопії, які в іншому випадку несумісні з посудинами високого тиску.
Проби газу та рідини
Традиційні статичні методи високого тиску також обмежують розмір зразка: чим вищий тиск, тим меншим повинен бути зразок. Інша нещодавно розроблена методика обходить це шляхом використання високоенергетичного електронного опромінення для створення тиску на тверді частинки, інкапсульовані всередині наноструктурованого вуглецю, наприклад вуглецевих нанотрубок (ВНТ), але Qiaoshi Zeng зазначає, що ця методика має важливі обмеження. Зокрема, успішне ущільнення цільової частинки твердого матеріалу всередині ВНТ і подальше застосування до неї тиску за допомогою випромінювання є технічно складним навіть за ідеальних експериментальних умов, і це неможливо для зразків газу чи рідини. «На відміну від цього, для наших НДЦ немає такого обмеження», — розповідає ЦяошіЗенг Світ фізики.
Детонаційні наноалмази можуть забезпечити нанорозмірну термометрію всередині клітин
Багато матеріалів із бажаними властивостями були виявлені під високим тиском, додає він, і ці нові матеріали будуть особливо привабливими, якщо стане можливим зберегти ці властивості в умовах навколишнього середовища. «Наша робота є важливим кроком до збереження нових властивостей, які виникають лише у матеріалів під високим тиском, таких як надпровідність при кімнатній температурі», — говорить він.
Зараз дослідники вивчають різноманітні матеріали за допомогою цієї техніки з надією зберегти ці стани високого тиску в НДЦ. «Ми також розглядаємо можливість розширення нашого синтезу матеріалів під високим тиском», — розповідає Цяоші Цзен.
