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《Nature》重磅: 金刚石纳米压舱!突破限制高压材料应用的长期障碍

 材料科学网 2022-08-18 发表于江西

物质在高压下常常会呈现增强的甚至奇异的电、磁、光、热和声等特性,但当加载的压力释放后,这种物质特性往往会随之消失。因此,将高压下的新奇结构、特异性能保留到常压条件一直是一个人们梦寐以求、却看起来难以实现的目标

近日,北京高压科学研究中心的曾桥石研究员带领的国际合作团队,率先为实现该科学梦想迈出了重要一步——发明了一种通用的“金刚石纳米压舱”复合材料。从而不需要传统高压装置的支撑,就可以实现物质高压态的永久封存。该研究为实现高压材料的广泛实际应用提供了可能。相关成果发表于最新一期Nature期刊

论文链接:

/articles/s41586-022-04955-z

(该图片来自北京高压科学研究中心)

近年来,高压技术以及各种原位表征技术的进步为物理、化学、材料等科学的研究开辟了广阔的探索空间,为科学突破提供了新的机遇。比如2019年,近室温超导现象在高压下被首次发现。然而这种近室温超导特性只能存在于高压条件下,使得这一迷人特性无法在常压条件下直接获得应用。而大部分材料的高压结构和特性都如“高压下的近室温超导”特性一样,往往无法脱离压力而单独保持。依赖传统的大腔体多面顶压机或金刚石对顶压砧等高压装置厚实的压腔束缚而存在的高压态材料,往往是基础科学研究的重要对象,却遗憾无缘实际应用。

“天然的金刚石,不是每一颗都'纯洁无瑕’。天然金刚石内包裹各种地球深部矿物的情况常有发生。这种有'瑕疵’的金刚石被地质运动带到地表后,其中被包裹的矿物有些被意外发现能保持其在地球深部时所处的高压态。这一现象说明金刚石本身就可以直接作为压力保持材料,而不需要其他额外装置的支撑。” 该工作的第一作者,曾徵丹研究员说道。“受天然金刚石包裹体的启发,我们觉得完全可以师法大自然,制备可调控的人造金刚石包裹体复合材料,在目标压力下将物质封装到金刚石中,并在常压条件下回收金刚石复合材料,从而将样品以金刚石中的包裹物的形式永久保存在高压状态下供基础研究和实际应用。”

(该图片来自Nature)

他们选用富含纳米孔洞的玻璃碳作为前驱材料,使用氩气来验证他们的设想:首先利用压力驱使氩气扩散进入玻璃碳的纳米孔洞中。并且利用同步辐射X射线小角散射实验证实了纳米孔洞能被高压氩有效地填充。然后,利用金刚石对顶压砧对样品加压到目标压力后(例如50万大气压),通过激光对玻璃碳进行加热到1800摄氏度,使玻璃碳转化为金刚石。利用X射线衍射确认金刚石的形成后,再将样品从加压装置中卸压取出,保留到常压条件。同步辐射X射线衍射,高分辨透射电镜成像,选区电子衍射,以及基于电镜的化学成分分析技术一致表明,氩的高压态(处于22万大气压下)很好地被封存在了由金刚石基体包围的纳米孔洞中,他们将这种包含高压物质的金刚石复合材料命名为“金刚石纳米压舱”。为了检验“金刚石纳米压舱”的普适性,他们还以氖气为目标材料,也成功地将高压氖封装在了“金刚石纳米压舱”中。

“我们的策略是将样品的高压结构与高压环境一起完全保留下来,合成的“金刚石纳米压舱由大量的单个纳米高压样品腔组成,每个样品腔可以看成是只有几十纳米厚度的金刚石包围而成。因此,大多数具有较低穿透能力,要求在常压甚至真空环境工作的现代材料研究探测手段,例如电子显微镜,真空紫外光谱、软X射线光谱等,以前通常无法用于高压态材料的原位研究,从此都将可以直接对高压态材料进行原子、电子结构和成分及其空间分布的探测和深入研究。另外,“金刚石纳米压舱”复合材料不需要依赖传统高压装置束缚即可独立存在,对外部环境的要求和普通材料无异,因此扫除了阻碍高压材料应用的一个长期障碍”曾桥石研究员解释。

“各种结晶的、非晶的、低维的碳同素异形体都是潜在的前驱体碳。丰富的碳前驱体选择可以帮助我们根据需要进一步优化我们的金刚石纳米压舱材料制备。另外,我们在后面的研究中将会尝试封装各种固体材料,比如高压超导体,高压热电、光电材料,只需要将碳与目标材料的纳米颗粒以适当的比例混合,形成纳米尺度的碳复合材料,然后在一定的压力和温度下将前驱体碳转化为金刚石即可。这将开启一个全新的研究领域。”Wendy Mao 教授补充到。

本研究的合作团队还包含了来自北京高压科学研究中心的毛河光院士、杨文革研究员、楼鸿波副研究员、杨留响研究员、张鑫博士生、谭立洁博士、上海激光等离子体研究所程本源副研究员、美国阿贡国家实验室的Jianguo Wen博士,Xiaobing Zuo博士。本项目是在国家重大研发计划和自然科学基金委项目的资助下完成的。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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