Het behoud van de hogedruktoestanden van materialen bij omgevingscondities is een lang gezocht doel voor fundamenteel onderzoek en praktische toepassingen.

Een team van wetenschappers onder leiding van Drs. Zhidan (Denise) Zeng, Qiaoshi Zeng en Ho-Kwang Mao van het Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) en prof. Wendy Mao van Stanford University rapporteren een innovatieve doorbraak waarbij ze de buitengewone eigenschappen van hogedrukmaterialen in vrijstaande, nanogestructureerde diamantcapsules zonder de ondersteuning van traditionele omvangrijke drukvaten. Hun werk is onlangs gepubliceerd in Nature .

Moderne technologie is gebaseerd op toegang tot materialen met geschikte fysische en chemische eigenschappen die kunnen worden gebruikt om specifieke functies in verschillende apparaten uit te voeren. Technologische vooruitgang wordt daarom vaak gedicteerd door de ontwikkeling van superieure materialen met gewenste eigenschappen. Hoge druk kan de eigenschappen van alle materialen drastisch veranderen of aanpassen, waardoor een vruchtbare voedingsbodem ontstaat voor het ontdekken van nieuwe materialen met extreem gunstige eigenschappen.

Het voorbehoud is echter dat de gunstige eigenschappen vaak alleen onder druk bestaan ​​wanneer het monster in het omvangrijke hogedrukvat blijft, waardoor wetenschappelijk onderzoek en mogelijke toepassingen worden beperkt. De afgelopen eeuw hebben wetenschappers geprobeerd deze moeilijkheid te overwinnen. Ze slaagden alleen in "uitdoofbare" fasen, waar nieuwe materialen die onder hoge druk zijn gesynthetiseerd hun gunstige eigenschappen behouden na het aflaten van de druk. Een bekend voorbeeld is de omzetting onder hoge druk van gewone koolstof in diamant, die zijn glans en andere uitzonderlijke eigenschappen kan behouden na terugwinning bij gewone druk.

Helaas zijn dergelijke succesvolle voorbeelden van uitdoofbare fasen uiterst zeldzaam, waardoor studies onder hoge druk grotendeels van alleen academisch belang zijn met weinig praktische waarde in de omgeving.

De onderzoeksgroep van HPSTAR en Stanford heeft een nieuwe aanpak ontwikkeld die heeft aangetoond dat het in staat is zelfs ijle gassen te blussen en hun hogedrukeigenschappen te behouden. Ze comprimeerden glasachtige koolstof, een amorfe vorm van poreuze koolstof, samen met argongas tot 50 gigapascal - ongeveer 500.000 keer de atmosferische druk, en verwarmden het monster tot 3.320 graden Fahrenheit.

De glasachtige koolstof die aanvankelijk ondoordringbaar is voor gassen onder normale omstandigheden, absorbeert argon als een spons bij hoge druk. De toepassing van hoge druk- en temperatuuromstandigheden zet de koolstof om in diamant en vangt het nu vaste, hogedrukargon in zijn poriën. Het resulterende monster dat bij omgevingscondities wordt opgehaald, gedraagt ​​​​zich als een nanokristallijn diamantcomposiet met talrijke geïsoleerde poriën die zich voordoen als kleine diamantcapsules gevuld met argon.

De resterende druk die door de diamantcapsule in het argon wordt bewaard, is maar liefst 22 gigapascal - ongeveer 220 keer de druk op de bodem van de Marianentrog. Beter nog, het onder druk staande argonmonster wordt verzegeld door alleen nanometer dikke diamanthuiden waardoor de buitengewone eigenschappen toegankelijk zijn voor moderne analytische sondes die omgevingen in de buurt van vacuüm vereisen, zoals elektronenmicroscopie.

"We observeren direct veel hogedruk-argonkorrels van nanometerformaat ingekapseld in de nano-diamantmatrix door transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie; daarom noemden we ze nanogestructureerde diamantcapsules (NDC's), " verklaarde Dr. Denise Zhidan Zeng, de leider auteur van dit werk.

"Een van de sleutels tot het realiseren van het concept van NDC's is het kiezen van de juiste koolstofprecursor, namelijk sp ² gebonden en heeft reeds bestaande ingesloten monsterkamers. Dit is uiteraard geenszins beperkt tot glasachtige koolstof. Daarom zou een verscheidenheid aan kristallijne, amorfe en laagdimensionale koolstofallotropen mogelijk ook als voorloperkoolstof kunnen worden gebruikt, wat een breed scala aan capsulematerialen biedt voor optimalisatie van het NDC-proces", legt Zeng uit.

"Het gebruik van meerdere complementaire diagnostische sondes om consistente resultaten te verkrijgen, is kenmerkend voor het moderne materieonderzoek. In-situ hogedrukonderzoeken hebben echter altijd hoog-penetrerende sondes nodig gehad, zoals harde röntgenstraling vanwege de dikke hogedrukvatwanden. Daarom , veel krachtige en veelzijdige sondes, zoals elektronenmicroscopie en vacuüm ultraviolet tot zachte röntgenspectroscopie, die een bijna vacuümomgeving vereisen, blijven helaas onverenigbaar met hogedrukwetenschap en -technologie. -drukmaterialen," zei Dr. Qiaoshi Zeng.

"Door NDC's te synthetiseren, bieden we een algemene methode om omvangrijke drukvaten te verwijderen met behoud van de hogedrukomstandigheden en dus het hogedrukgedrag in onze monsters. We kunnen nu bijna alle moderne diagnostische sondes gebruiken om gedetailleerde informatie over de atomaire /elektronische structuren, samenstellingen en bindingseigenschappen van materialen bij hoge druk in NDC's, inclusief verschillende technieken gebaseerd op transmissie-elektronenmicroscopie. We zijn enthousiast over de mogelijkheid dat een benadering op basis van NDC's hogedrukverkenningen op één lijn brengt met conventionele gecondenseerde zaken onderzoeken en aanvragen."

"Naast de gassen die we in onze studie hebben onderzocht, verwachten we ook dat het concept van NDC's algemeen toepasbaar is op verschillende vaste monsters", zei prof. Wendy Mao.

"Bovendien zijn NDC-monsters in principe cumulatief met het potentieel voor onbeperkte, meervoudige syntheses, waardoor de beperking wordt opgeheven waar hogedrukverschijnselen alleen bestaan ​​​​in een klein monster in een grote drukkamer. Daarom demonstreert ons werk de eerste, cruciale stap in de richting van de grote uitdaging van toepassingen van hogedrukmaterialen voor voorheen onuitblusbare fasen." + Verder verkennen

Amorfe diamant gesynthetiseerd