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突破限制高壓材料應用的長期障礙 新材料有望實現廣泛應用
2022年08月18日 09:54:13
來源：化工儀器網 作者：羊舌木 點擊量：4381
近日，北京高壓科學研究中心曾橋石研究員帶領的國際研究團隊發明了一種通用的“金剛石納米壓艙”復合材料，不需要傳統壓力裝置的支撐，就可以實現物質高壓力狀態的永久封存。
【化工儀器網 項目成果】材料是現代技術的基石，科技的進步和革新往往嚴重依賴于新的、具有特殊性能的先進材料的開發。對于特定材料，只需要改變它所承受的外加壓力，往往就能夠顯著地改變其性質，從而給探索優化、甚至全新的材料性能提供廣闊的空間和可能。
然而，讓人遺憾的是，大部分在高壓下發現的優異性質只能存在于高壓下。物質在高壓下常常會呈現增強的甚至奇異的電、磁、光、熱和聲等特性，但當加載的壓力釋放后，這種物質特性往往會隨之消失。因此，將高壓下的新物態和性質完好保留到常壓環境，是高壓材料實現應用的前提，也是人們長期追求的一個科學夢想。
在過去的一個世紀里，科學家持續地做出了各種努力試圖克服這種困難。他們廣泛研究不同的材料體系，發現存在一類特殊的高壓合成的亞穩材料能夠在卸壓后保留到常壓。典型的例子就是高壓條件下利用普通的碳材料合成的金剛石能夠在外部壓力卸掉后依然在常壓下存在，并且保持其閃亮的外觀和各種卓越的性質。但這種幸運的例子卻很少。目前，高壓物質更多的還是在實驗室里開展基礎研究的重要對象，很少能夠大規模地進入工廠應用，從而在人們日常生活中發揮廣泛用途。
近日，北京高壓科學研究中心和美國斯坦福大學以及阿貢國家實驗室的合作研究團隊另辟蹊徑，擺脫傳統上利用高壓機械裝置來維持材料壓力的思路，在材料合成過程中，把材料的高壓態直接植入并封存到由堅硬的金剛石構筑的復合材料中。他們首先把一種名為“玻璃碳”的富含納米空洞的碳材料和氬氣一起加壓到大約50吉帕(50萬個大氣壓)的高壓狀態，再把玻璃碳加熱到大約1800攝氏度。
在常壓下，玻璃碳是一種氣密性很好的材料，然而他們發現在高壓下，玻璃碳可以猶如海綿吸水一樣把氬氣吸納儲存到其納米空洞中。高壓加上高溫可以促使高壓態玻璃碳轉變為天然最堅硬的物質——金剛石。而后，當去除壓力和溫度，把樣品從壓力裝置中取出時，意外的是，處于常壓環境的金剛石樣品內部包含的大量納米孔洞中永久封存了處于極高壓力狀態的氬，形成了一種在金剛石基體中嵌入大量高壓納米氬顆粒的復合材料——“金剛石納米高壓艙”。
該項實驗表明這些氬顆粒內的壓力高達22吉帕，約是地球海洋最深處的馬里亞納海溝底部壓力的220倍。在這種復合材料中，包裹高壓氬顆粒的金剛石的厚度卻只需要幾十納米。因此，沒有了傳統厚實高壓腔體的阻隔，大多數要求在常壓或者真空環境工作的現代材料研究探測手段，例如電子顯微鏡，都可以對其進行直接的探測和研究。
“金剛石納米高壓艙”的概念可以應用到包括氣體、液體、固體各種形態的目標材料，并且可以通過多次合成聚集成大塊高壓態材料，方便日常生活中的實際應用。該突破為實現高壓材料的實際應用邁出了關鍵的一步。這一重大創新性成果于8月17日在國際學術期刊《自然》上發表。
(資料來源：科技日報)
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