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       物質(zhì)在高壓下常常會呈現(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)特性往往會隨之消失。因此，將高壓下的新奇結(jié)構(gòu)、特異性能保留到常壓條件一直是一個(gè)人們夢寐以求、卻看起來難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

       近日，北京高壓科學(xué)研究中心的曾橋石研究員帶領(lǐng)的國際合作團(tuán)隊(duì)，率先為實(shí)現(xiàn)該科學(xué)夢想邁出了重要一步——發(fā)明了一種通用的“金剛石納米壓艙”復(fù)合材料。從而不需要傳統(tǒng)高壓裝置的支撐，就可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)高壓態(tài)的永久封存。該研究為實(shí)現(xiàn)高壓材料的廣泛實(shí)際應(yīng)用提供了可能。相關(guān)成果發(fā)表于最新一期Nature期刊。

       論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04955-z

（該圖片來自北京高壓科學(xué)研究中心）

       近年來，高壓技術(shù)以及各種原位表征技術(shù)的進(jìn)步為物理、化學(xué)、材料等科學(xué)的研究開辟了廣闊的探索空間，為科學(xué)突破提供了新的機(jī)遇。比如2019年，近室溫超導(dǎo)現(xiàn)象在高壓下被首次發(fā)現(xiàn)。然而這種近室溫超導(dǎo)特性只能存在于高壓條件下，使得這一迷人特性無法在常壓條件下直接獲得應(yīng)用。而大部分材料的高壓結(jié)構(gòu)和特性都如“高壓下的近室溫超導(dǎo)”特性一樣，往往無法脫離壓力而單獨(dú)保持。依賴傳統(tǒng)的大腔體多面頂壓機(jī)或金剛石對頂壓砧等高壓裝置厚實(shí)的壓腔束縛而存在的高壓態(tài)材料，往往是基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要對象，卻遺憾無緣實(shí)際應(yīng)用。

       “天然的金剛石，不是每一顆都‘純潔無瑕’。天然金剛石內(nèi)包裹各種地球深部礦物的情況常有發(fā)生。這種有‘瑕疵’的金剛石被地質(zhì)運(yùn)動(dòng)帶到地表后，其中被包裹的礦物有些被意外發(fā)現(xiàn)能保持其在地球深部時(shí)所處的高壓態(tài)。這一現(xiàn)象說明金剛石本身就可以直接作為壓力保持材料，而不需要其他額外裝置的支撐。” 該工作的第一作者，曾徵丹研究員說道。“受天然金剛石包裹體的啟發(fā)，我們覺得完全可以師法大自然，制備可調(diào)控的人造金剛石包裹體復(fù)合材料，在目標(biāo)壓力下將物質(zhì)封裝到金剛石中，并在常壓條件下回收金剛石復(fù)合材料，從而將樣品以金剛石中的包裹物的形式永久保存在高壓狀態(tài)下供基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用?！?/p>

（該圖片來自Nature）

       他們選用富含納米孔洞的玻璃碳作為前驅(qū)材料，使用氬氣來驗(yàn)證他們的設(shè)想：首先利用壓力驅(qū)使氬氣擴(kuò)散進(jìn)入玻璃碳的納米孔洞中。并且利用同步輻射X射線小角散射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了納米孔洞能被高壓氬有效地填充。然后，利用金剛石對頂壓砧對樣品加壓到目標(biāo)壓力后（例如50萬大氣壓），通過激光對玻璃碳進(jìn)行加熱到1800攝氏度，使玻璃碳轉(zhuǎn)化為金剛石。利用X射線衍射確認(rèn)金剛石的形成后，再將樣品從加壓裝置中卸壓取出，保留到常壓條件。同步輻射X射線衍射，高分辨透射電鏡成像，選區(qū)電子衍射，以及基于電鏡的化學(xué)成分分析技術(shù)一致表明，氬的高壓態(tài)（處于22萬大氣壓下）很好地被封存在了由金剛石基體包圍的納米孔洞中，他們將這種包含高壓物質(zhì)的金剛石復(fù)合材料命名為“金剛石納米壓艙”。為了檢驗(yàn)“金剛石納米壓艙”的普適性，他們還以氖氣為目標(biāo)材料，也成功地將高壓氖封裝在了“金剛石納米壓艙”中。

       “我們的策略是將樣品的高壓結(jié)構(gòu)與高壓環(huán)境一起完全保留下來，合成的“金剛石納米壓艙由大量的單個(gè)納米高壓樣品腔組成，每個(gè)樣品腔可以看成是只有幾十納米厚度的金剛石包圍而成。因此，大多數(shù)具有較低穿透能力，要求在常壓甚至真空環(huán)境工作的現(xiàn)代材料研究探測手段，例如電子顯微鏡，真空紫外光譜、軟X射線光譜等，以前通常無法用于高壓態(tài)材料的原位研究，從此都將可以直接對高壓態(tài)材料進(jìn)行原子、電子結(jié)構(gòu)和成分及其空間分布的探測和深入研究。另外，“金剛石納米壓艙”復(fù)合材料不需要依賴傳統(tǒng)高壓裝置束縛即可獨(dú)立存在，對外部環(huán)境的要求和普通材料無異，因此掃除了阻礙高壓材料應(yīng)用的一個(gè)長期障礙”曾橋石研究員解釋。

       “各種結(jié)晶的、非晶的、低維的碳同素異形體都是潛在的前驅(qū)體碳。豐富的碳前驅(qū)體選擇可以幫助我們根據(jù)需要進(jìn)一步優(yōu)化我們的金剛石納米壓艙材料制備。另外，我們在后面的研究中將會嘗試封裝各種固體材料，比如高壓超導(dǎo)體，高壓熱電、光電材料，只需要將碳與目標(biāo)材料的納米顆粒以適當(dāng)?shù)谋壤旌?，形成納米尺度的碳復(fù)合材料，然后在一定的壓力和溫度下將前驅(qū)體碳轉(zhuǎn)化為金剛石即可。這將開啟一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。”Wendy Mao 教授補(bǔ)充到。

       本研究的合作團(tuán)隊(duì)還包含了來自北京高壓科學(xué)研究中心的毛河光院士、楊文革研究員、樓鴻波副研究員、楊留響研究員、張鑫博士生、譚立潔博士、上海激光等離子體研究所程本源副研究員、美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的Jianguo Wen博士，Xiaobing Zuo博士。本項(xiàng)目是在國家重大研發(fā)計(jì)劃和自然科學(xué)基金委項(xiàng)目的資助下完成的。