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突破限制高压材料应用的长期障碍 新材料有望实现广泛应用
2022年08月18日 09:54:13
来源：化工仪器网 作者：羊舌木 点击量：4473
近日，北京高压科学研究中心曾桥石研究员带领的国际研究团队发明了一种通用的“金刚石纳米压舱”复合材料，不需要传统压力装置的支撑，就可以实现物质高压力状态的永久封存。
【化工仪器网 项目成果】材料是现代技术的基石，科技的进步和革新往往严重依赖于新的、具有特殊性能的先进材料的开发。对于特定材料，只需要改变它所承受的外加压力，往往就能够显著地改变其性质，从而给探索优化、甚至全新的材料性能提供广阔的空间和可能。
然而，让人遗憾的是，大部分在高压下发现的优异性质只能存在于高压下。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，将高压下的新物态和性质完好保留到常压环境，是高压材料实现应用的前提，也是人们长期追求的一个科学梦想。
在过去的一个世纪里，科学家持续地做出了各种努力试图克服这种困难。他们广泛研究不同的材料体系，发现存在一类特殊的高压合成的亚稳材料能够在卸压后保留到常压。典型的例子就是高压条件下利用普通的碳材料合成的金刚石能够在外部压力卸掉后依然在常压下存在，并且保持其闪亮的外观和各种卓越的性质。但这种幸运的例子却很少。目前，高压物质更多的还是在实验室里开展基础研究的重要对象，很少能够大规模地进入工厂应用，从而在人们日常生活中发挥广泛用途。
近日，北京高压科学研究中心和美国斯坦福大学以及阿贡国家实验室的合作研究团队另辟蹊径，摆脱传统上利用高压机械装置来维持材料压力的思路，在材料合成过程中，把材料的高压态直接植入并封存到由坚硬的金刚石构筑的复合材料中。他们首先把一种名为“玻璃碳”的富含纳米空洞的碳材料和氩气一起加压到大约50吉帕(50万个大气压)的高压状态，再把玻璃碳加热到大约1800摄氏度。
在常压下，玻璃碳是一种气密性很好的材料，然而他们发现在高压下，玻璃碳可以犹如海绵吸水一样把氩气吸纳储存到其纳米空洞中。高压加上高温可以促使高压态玻璃碳转变为天然最坚硬的物质——金刚石。而后，当去除压力和温度，把样品从压力装置中取出时，意外的是，处于常压环境的金刚石样品内部包含的大量纳米孔洞中永久封存了处于极高压力状态的氩，形成了一种在金刚石基体中嵌入大量高压纳米氩颗粒的复合材料——“金刚石纳米高压舱”。
该项实验表明这些氩颗粒内的压力高达22吉帕，约是地球海洋最深处的马里亚纳海沟底部压力的220倍。在这种复合材料中，包裹高压氩颗粒的金刚石的厚度却只需要几十纳米。因此，没有了传统厚实高压腔体的阻隔，大多数要求在常压或者真空环境工作的现代材料研究探测手段，例如电子显微镜，都可以对其进行直接的探测和研究。
“金刚石纳米高压舱”的概念可以应用到包括气体、液体、固体各种形态的目标材料，并且可以通过多次合成聚集成大块高压态材料，方便日常生活中的实际应用。该突破为实现高压材料的实际应用迈出了关键的一步。这一重大创新性成果于8月17日在国际学术期刊《自然》上发表。
(资料来源：科技日报)
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