Áp suất cao làm thay đổi đáng kể tính chất của vật liệu, đôi khi tạo ra các đặc tính vật lý và hóa học với các ứng dụng hữu ích. Vấn đề là những đặc tính mong muốn này thường biến mất khi vật liệu rời khỏi các bình cồng kềnh có thể tạo ra áp suất cao như vậy. Tuy nhiên, giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Trung tâm Nghiên cứu Tiên tiến Khoa học và Công nghệ Áp suất Cao (HPSTAR) ở Trung Quốc và Đại học Stanford ở Hoa Kỳ đã thành công trong việc duy trì các đặc tính của vật liệu áp suất cao bên ngoài các bình như vậy bằng cách giam giữ chúng trong cấu trúc nano đứng tự do. viên nang làm từ kim cương.
Trong công việc, một nhóm được lãnh đạo bởi Charles Qiaoshi Zeng của HPSTAR đã cho một mẫu carbon vô định hình và xốp được gọi là carbon thủy tinh chịu áp suất 50 gigapascal (gấp khoảng 500 000 lần áp suất của khí quyển Trái đất) trong khi làm nóng nó đến gần 1830 °C với sự có mặt của khí argon. Mặc dù cacbon thủy tinh ban đầu không thấm khí argon, nhưng nó sẽ hấp thụ argon như một miếng bọt biển ở áp suất cao. Kết quả là một hỗn hợp kim cương tinh thể nano giữ lại argon trong vô số lỗ nhỏ bị cô lập ngay cả sau khi nó được lấy ra khỏi bình áp suất cao trong đó thí nghiệm được thực hiện.
Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải cao, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng những lỗ này, mà họ gọi là viên nang kim cương cấu trúc nano (NDC), chứa các “hạt” argon áp suất cao. Denise Zhidan Zeng, tác giả chính của một bài báo trong Thiên nhiên mô tả các kết quả, cho biết phát hiện này rất quan trọng vì cho đến nay, rất khó để mô tả các vật liệu áp suất cao tại chỗ mà không cần dùng đến các thiết bị thăm dò như tia X cứng có thể xuyên qua các bức tường dày và chắc chắn của các bình chịu áp lực. Cô nói: “Các NDC mới cho phép chúng tôi loại bỏ thiết bị cồng kềnh này trong khi vẫn duy trì các điều kiện áp suất cao và do đó duy trì các đặc tính áp suất cao của vật liệu đang được nghiên cứu.
cảm hứng kim cương
Các nhà nghiên cứu đã chọn sử dụng kim cương vì không giống như hầu hết các vật liệu khác, dạng carbon này vẫn giữ được các đặc tính cơ học và quang điện tử đặc biệt của nó ở áp suất xung quanh sau khi nó hình thành ở áp suất cao hơn. Qiaoshi Zeng giải thích: “Chúng tôi lấy cảm hứng từ các thể vùi kim cương địa chất tự nhiên và nhận thấy rằng chỉ riêng kim cương thôi cũng đủ mạnh để duy trì áp suất cao bên trong các thể vùi này. “Do đó, chúng tôi quyết định tạo ra các thể vùi kim cương tổng hợp trong đó các vật liệu áp suất cao được bảo quản với áp suất giới hạn cao bên trong một lớp vỏ kim cương mỏng.”
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng NDC của họ có thể duy trì áp suất lên tới hàng chục GPa mặc dù thành của viên nang chỉ dày hàng chục nanomet. Độ mỏng của các bức tường cho phép nhóm có được thông tin chi tiết về cấu trúc nguyên tử/điện tử, thành phần và bản chất liên kết của các vật liệu bên trong bằng cách sử dụng các đầu dò chẩn đoán hiện đại, bao gồm các kỹ thuật khác nhau dựa trên kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và quang phổ tia X mềm. mặt khác không tương thích với bình cao áp.
Mẫu khí và chất lỏng
Các kỹ thuật áp suất cao tĩnh truyền thống cũng đặt ra các giới hạn về kích thước mẫu: áp suất càng cao thì mẫu cần lấy càng nhỏ. Một kỹ thuật khác được phát triển gần đây giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng bức xạ điện tử năng lượng cao để tạo áp suất lên các hạt rắn được bao bọc bên trong cacbon cấu trúc nano chẳng hạn như ống nano cacbon (CNT), nhưng Qiaoshi Zeng chỉ ra rằng kỹ thuật này có những hạn chế quan trọng. Cụ thể, việc niêm phong thành công một hạt vật liệu rắn mục tiêu bên trong CNT và sau đó tạo áp suất lên nó bằng bức xạ là một thách thức về mặt kỹ thuật ngay cả trong điều kiện thí nghiệm lý tưởng và không khả thi đối với các mẫu khí hoặc chất lỏng. “Ngược lại, không có giới hạn nào như vậy đối với NDC của chúng tôi,” QiaoshiZeng nói Thế giới vật lý.
Kim cương nano khi kích nổ có thể cung cấp nhiệt kế kích thước nano bên trong tế bào
Ông nói thêm, nhiều vật liệu có đặc tính mong muốn đã được phát hiện ở áp suất cao và những vật liệu mới này sẽ đặc biệt hấp dẫn nếu có thể giữ lại các đặc tính này trong điều kiện môi trường xung quanh. Ông nói: “Công việc của chúng tôi là một bước quan trọng hướng tới việc duy trì các đặc tính mới chỉ xuất hiện ở các vật liệu áp suất cao, chẳng hạn như tính siêu dẫn ở nhiệt độ phòng.
Các nhà nghiên cứu hiện đang nghiên cứu nhiều loại vật liệu sử dụng kỹ thuật này với hy vọng duy trì các trạng thái áp suất cao này trong NDC. Qiaoshi Zeng tiết lộ: “Chúng tôi cũng đang xem xét mở rộng quy mô tổng hợp vật liệu áp suất cao của mình.
