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突破限制高壓材料應(yīng)用的長期障礙 新材料有望實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用
2022年08月18日 09:54:13
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：羊舌木 點(diǎn)擊量：4360
近日，北京高壓科學(xué)研究中心曾橋石研究員帶領(lǐng)的國際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種通用的“金剛石納米壓艙”復(fù)合材料，不需要傳統(tǒng)壓力裝置的支撐，就可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)高壓力狀態(tài)的永久封存。
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】材料是現(xiàn)代技術(shù)的基石，科技的進(jìn)步和革新往往嚴(yán)重依賴于新的、具有特殊性能的先進(jìn)材料的開發(fā)。對(duì)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(zhì)，從而給探索優(yōu)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(fā)現(xiàn)的優(yōu)異性質(zhì)只能存在于高壓下。物質(zhì)在高壓下常常會(huì)呈現(xiàn)增強(qiáng)的甚至奇異的電、磁、光、熱和聲等特性，但當(dāng)加載的壓力釋放后，這種物質(zhì)特性往往會(huì)隨之消失。因此，將高壓下的新物態(tài)和性質(zhì)完好保留到常壓環(huán)境，是高壓材料實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的前提，也是人們長期追求的一個(gè)科學(xué)夢(mèng)想。
在過去的一個(gè)世紀(jì)里，科學(xué)家持續(xù)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(fā)現(xiàn)存在一類特殊的高壓合成的亞穩(wěn)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(zhì)。但這種幸運(yùn)的例子卻很少。目前，高壓物質(zhì)更多的還是在實(shí)驗(yàn)室里開展基礎(chǔ)研究的重要對(duì)象，很少能夠大規(guī)模地進(jìn)入工廠應(yīng)用，從而在人們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮廣泛用途。
近日，北京高壓科學(xué)研究中心和美國斯坦福大學(xué)以及阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的合作研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，擺脫傳統(tǒng)上利用高壓機(jī)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(tài)直接植入并封存到由堅(jiān)硬的金剛石構(gòu)筑的復(fù)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(gè)大氣壓)的高壓狀態(tài)，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(fā)現(xiàn)在高壓下，玻璃碳可以猶如海綿吸水一樣把氬氣吸納儲(chǔ)存到其納米空洞中。高壓加上高溫可以促使高壓態(tài)玻璃碳轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊蛔顖?jiān)硬的物質(zhì)——金剛石。而后，當(dāng)去除壓力和溫度，把樣品從壓力裝置中取出時(shí)，意外的是，處于常壓環(huán)境的金剛石樣品內(nèi)部包含的大量納米孔洞中永久封存了處于極高壓力狀態(tài)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(fù)合材料——“金剛石納米高壓艙”。
該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明這些氬顆粒內(nèi)的壓力高達(dá)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(fù)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(tǒng)厚實(shí)高壓腔體的阻隔，大多數(shù)要求在常壓或者真空環(huán)境工作的現(xiàn)代材料研究探測(cè)手段，例如電子顯微鏡，都可以對(duì)其進(jìn)行直接的探測(cè)和研究。
“金剛石納米高壓艙”的概念可以應(yīng)用到包括氣體、液體、固體各種形態(tài)的目標(biāo)材料，并且可以通過多次合成聚集成大塊高壓態(tài)材料，方便日常生活中的實(shí)際應(yīng)用。該突破為實(shí)現(xiàn)高壓材料的實(shí)際應(yīng)用邁出了關(guān)鍵的一步。這一重大創(chuàng)新性成果于8月17日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。
(資料來源：科技日?qǐng)?bào))
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