2022-08-17

Высокое давление в алмазных капсулах не помеха для сохранения свойств материала

Сохранение высокобарических состояний материалов в условиях окружающей среды является долгожданной целью фундаментальных исследований и практических приложений. Группа ученых во главе с Drs. Чжидан (Дениз) Цзэн, Цяоши Цзэн и Хо-Кван Мао из Центра передовых исследований науки и технологий высокого давления (HPSTAR) и профессор Венди Мао из Стэнфордского университета сообщают об инновационном прорыве, в котором им удалось сохранить исключительные свойства материала высокого давления в отдельно стоящих алмазных капсулах с наноструктурой без поддержки традиционных громоздких сосудов высокого давления. Их работа была недавно опубликована в журнале Nature.

Перспективный мультяшный рисунок наноструктурированных алмазных капсул (NDC) с нанодоменами аргона высокого давления, встроенными в матрицу. Современные диагностические датчики, такие как жесткие/мягкие рентгеновские лучи, ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные лучи, электронные и нейтронные лучи, применимы к образцам NDC для исследований. Кредит: Чарльз Цзэн

Современная технология основана на доступе к материалам с подходящими физическими и химическими свойствами, которые можно использовать для выполнения определенных функций в различных устройствах. Таким образом, технологический прогресс часто диктуется разработкой превосходных материалов с желаемыми свойствами. Высокое давление может резко изменить или настроить свойства всех материалов, тем самым обеспечивая благодатную почву для открытия новых материалов с чрезвычайно благоприятными свойствами.

Предупреждение, однако, заключается в том, что благоприятные свойства часто проявляются только под давлением, когда образец остается в громоздком сосуде высокого давления, что ограничивает научные исследования и потенциальные применения. На протяжении прошлого века ученые пытались преодолеть эту трудность. Им это удалось только в «закаливаемых» фазах, где новые материалы, синтезированные при высоком давлении, сохраняют свои благоприятные свойства после сброса давления. Хорошо известным примером является преобразование под высоким давлением обычного углерода в алмаз, который способен сохранять свой блеск и другие исключительные свойства после извлечения при обычном давлении.

К сожалению, такие успешные примеры закалочных фаз чрезвычайно редки, что в значительной степени делает исследования материалов под высоким давлением чисто академическим интересом с небольшой практической ценностью в окружающей среде.

Исследовательская группа HPSTAR и Стэнфорда разработала новый подход, который продемонстрировал способность гасить даже разреженные газы и сохранять их свойства при высоком давлении. Они сжали стеклоуглерод, аморфную форму пористого углерода, вместе с газообразным аргоном до 50 гигапаскалей, что примерно в 500 000 раз превышает атмосферное давление, и нагрели образец до 3320 градусов по Фаренгейту.

Стеклоуглерод, изначально газонепроницаемый при обычных условиях, при высоких давлениях поглощает аргон, как губка. Применение условий высокого давления и температуры превращает углерод в алмаз и удерживает теперь твердый аргон под высоким давлением в его порах. Полученный образец, извлеченный в условиях окружающей среды, ведет себя как нанокристаллический алмазный композит с многочисленными изолированными порами, которые представляют собой крошечные алмазные капсулы, заполненные аргоном.

Остаточное давление, сохраняемое в аргоне алмазной капсулой, достигает 22 гигапаскалей — примерно в 220 раз больше давления на дне Марианской впадины. Еще лучше то, что образец аргона под давлением запечатан алмазной оболочкой толщиной всего в нанометр, что позволяет получить доступ к его экстраординарным свойствам с помощью современных аналитических зондов, которые требуют условий, близких к вакууму, таких как электронная микроскопия .

«Мы непосредственно наблюдаем множество зерен аргона высокого давления нанометрового размера, инкапсулированных в наноалмазную матрицу, с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения; поэтому мы назвали их наноструктурными алмазными капсулами (NDC)», — пояснила д-р Дениз Чжидан Цзэн, ведущий специалист, автор этой работы.

«Одним из ключей к реализации концепции NDC является выбор правильного углеродного предшественника, который связан sp 2 и имеет уже существующие закрытые камеры для образцов. Очевидно, что это ни в коем случае не ограничивается стеклоуглеродом. , и низкоразмерные углеродные аллотропы также потенциально могут быть использованы в качестве исходного углерода, предлагая широкий спектр материалов для капсул для оптимизации процесса NDC», — пояснил Цзэн.

«Использование нескольких взаимодополняющих диагностических зондов для получения согласованных результатов характерно для современных исследований материи. Однако исследования высокого давления на месте всегда требовали зондов с высокой проникающей способностью, таких как жесткий рентгеновский снимок, из-за толстых стенок сосудов высокого давления. Поэтому. , многие мощные и универсальные зонды, такие как электронная микроскопия и спектроскопия от вакуумного ультрафиолета до мягкого рентгеновского излучения, которые требуют околовакуумной среды, к сожалению, остаются несовместимыми с наукой и техникой высокого давления. Это серьезно препятствует нашим усилиям понять многие материалы под высоким давлением», — сказал доктор Цяоши Цзэн.

«Синтезируя NDC, мы предлагаем общий метод удаления громоздких сосудов под давлением при сохранении условий высокого давления и, следовательно, поведения при высоком давлении в наших образцах. Теперь мы можем использовать почти все современные диагностические зонды для получения подробной информации об атомном / электронные структуры, составы и характер связи материалов при высоких давлениях внутри NDC, включая различные методы, основанные на просвечивающей электронной микроскопии. Мы рады возможности того, что подход, основанный на NDC, принесет исследования высокого давления наравне с обычными конденсированными дела исследований и заявлений».

«Помимо газов, которые исследовали, мы также ожидаем, что концепция NDC будет применима к различным твердым образцам», — сказала профессор Венди Мао.

«Более того, образцы NDC в принципе являются кумулятивными с потенциалом для неограниченного множественного синтеза, что снимает ограничение, когда явления высокого давления существуют только в крошечном образце внутри большой барокамеры. Таким образом, наша работа демонстрирует первый, критический шаг к грандиозной задаче применения материалов высокого давления для ранее неугасимых фаз».



PhysReal • Физическая реальность

Администрация не несет ответственности за достоверность информации, опубликованной в рекламных объявлениях. Материалы, опубликованные в блогах, отражают позиции их авторов, которые могут не совпадать с мнением редакции. Использование публикаций сайта разрешается при наличии прямой ссылки на PhysReal.
Контактный E-mail:

Telegram: https://t.me/physreal
ВКонтакте: https://vk.com/physreal
RSS (XML): Новости физики

Copyright © 2024 Development by Programilla.com