Die Erhaltung des Hochdruckzustands von Materialien bei Umgebungsbedingungen ist ein lang ersehntes Ziel für Grundlagenforschung und praktische Anwendungen.
Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Dr. Zhidan (Denise) Zeng, Qiaoshi Zeng und Ho-Kwang Mao vom Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) und Prof. Wendy Mao von der Stanford University berichten über einen innovativen Durchbruch, bei dem es ihnen gelang, die außergewöhnlichen Eigenschaften von zu bewahren Hochdruckmaterialien in freistehenden, nanostrukturierten Diamantkapseln ohne die Unterstützung traditioneller sperriger Druckbehälter. Ihre Arbeit wurde kürzlich in veröffentlicht Natur.
Moderne Technologie basiert auf dem Zugang zu Materialien mit geeigneten physikalischen und chemischen Eigenschaften, die verwendet werden können, um bestimmte Funktionen in verschiedenen Geräten auszuführen. Technologische Fortschritte werden daher oft durch die Entwicklung überlegener Materialien mit wünschenswerten Eigenschaften diktiert. Hochdruck kann die Eigenschaften aller Materialien drastisch verändern oder abstimmen und bietet somit einen fruchtbaren Boden für die Entdeckung neuartiger Materialien mit äußerst günstigen Eigenschaften.
Allerdings bestehen die günstigen Eigenschaften oft nur unter Druck, wenn die Probe in dem sperrigen Hochdruckbehälter verbleibt, was wissenschaftliche Untersuchungen und mögliche Anwendungen einschränkt. Im vergangenen Jahrhundert haben Wissenschaftler versucht, diese Schwierigkeit zu überwinden. Es gelang ihnen nur in „löschbaren“ Phasen, in denen neuartige Materialien, die unter hohem Druck synthetisiert wurden, ihre günstigen Eigenschaften nach Druckentlastung beibehalten. Ein bekanntes Beispiel ist die Hochdruckumwandlung von gewöhnlichem Kohlenstoff in Diamant, der seine Brillanz und andere außergewöhnliche Eigenschaften nach der Gewinnung bei gewöhnlichem Druck behalten kann.
Leider sind solche erfolgreichen Beispiele für abschreckbare Phasen äußerst selten, was Untersuchungen von Hochdruckmaterialien weitgehend nur von akademischem Interesse mit wenig praktischem Wert in der Umgebung macht.
Die HPSTAR- und Stanford-Forschungsgruppe hat einen neuartigen Ansatz entwickelt, der die Fähigkeit gezeigt hat, selbst schwache Gase zu löschen und ihre Hochdruckeigenschaften zu bewahren. Sie komprimierten Glaskohlenstoff, eine amorphe Form von porösem Kohlenstoff, zusammen mit Argongas auf 50 Gigapascal – etwa das 500.000-fache des atmosphärischen Drucks – und erhitzten die Probe auf 3.320 Grad Fahrenheit.
Der bei Normalbedingungen zunächst gasundurchlässige Glaskohlenstoff nimmt Argon bei hohen Drücken wie ein Schwamm auf. Die Anwendung hoher Druck- und Temperaturbedingungen wandelt den Kohlenstoff in Diamant um und fängt das nun feste Hochdruck-Argon in seinen Poren ein. Die resultierende Probe, die bei Umgebungsbedingungen entnommen wird, verhält sich wie ein nanokristalliner Diamantverbundstoff mit zahlreichen isolierten Poren, die wie winzige mit Argon gefüllte Diamantkapseln darstellen.
Der durch die Diamantkapsel im Argon erhaltene Restdruck beträgt bis zu 22 Gigapascal – etwa das 220-fache des Drucks am Boden des Marianengrabens. Besser noch, die unter Druck stehende Argonprobe wird von nur Nanometer dicken Diamanthäuten versiegelt, sodass ihre außergewöhnlichen Eigenschaften für moderne Analysesonden zugänglich sind, die nahezu Vakuumumgebungen wie Elektronenmikroskopie erfordern.
„Wir beobachten direkt viele nanometergroße Hochdruck-Argonkörner, die in der Nano-Diamant-Matrix eingekapselt sind, durch hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie; daher haben wir sie nanostrukturierte Diamantkapseln (NDCs) genannt“, erklärte Dr. Denise Zhidan Zeng, die Leitung Autor dieser Arbeit.
„Einer der Schlüssel zur Realisierung des Konzepts von NDCs ist die Wahl des richtigen Kohlenstoffvorläufers, der sp2-gebunden ist und bereits vorhandene geschlossene Probenkammern hat. Dies ist offensichtlich keineswegs auf glasigen Kohlenstoff beschränkt. Daher ist eine Vielzahl von kristallinen, amorphen, und niederdimensionale Kohlenstoffallotrope könnten möglicherweise auch als Vorläuferkohlenstoff verwendet werden, was eine breite Palette von Kapselmaterialien zur Optimierung des NDC-Prozesses bietet“, erklärte Zeng.
„Die Verwendung mehrerer komplementärer diagnostischer Sonden, um konsistente Ergebnisse zu erzielen, ist ein Merkmal der modernen Materieforschung. In-situ-Hochdruckuntersuchungen erforderten jedoch aufgrund der dicken Hochdruckgefäßwände immer Sonden mit hoher Durchdringung wie z. B. hartes Röntgen. Daher , viele leistungsstarke und vielseitige Sonden wie die Elektronenmikroskopie und die Vakuum-Ultraviolett- bis Weichröntgenspektroskopie, die eine nahezu vakuumnahe Umgebung erfordern, bleiben leider mit der Hochdruckwissenschaft und -technologie inkompatibel, was unsere Bemühungen, viele hohe zu verstehen, stark behindert hat -Druckmaterialien“, sagte Dr. Qiaoshi Zeng.
„Mit der Synthese von NDCs bieten wir eine allgemeine Methode, um sperrige Druckbehälter zu entfernen und gleichzeitig die Hochdruckbedingungen und damit das Hochdruckverhalten in unseren Proben beizubehalten. Wir können jetzt fast alle modernen diagnostischen Sonden verwenden, um detaillierte Informationen über das Atom zu erhalten /elektronische Strukturen, Zusammensetzungen und Bindungseigenschaften von Materialien bei hohen Drücken innerhalb von NDCs, einschließlich verschiedener Techniken auf der Grundlage der Transmissionselektronenmikroskopie. Sachverhaltsermittlungen und Anträge.“
„Über die Gase hinaus, die wir in unserer Studie untersucht haben, erwarten wir auch, dass das Konzept der NDCs allgemein auf verschiedene feste Proben anwendbar ist“, sagte Prof. Wendy Mao.
„Darüber hinaus sind NDC-Proben im Prinzip kumulativ mit dem Potenzial für unbegrenzte Mehrfachsynthesen, wodurch die Einschränkung beseitigt wird, dass Hochdruckphänomene nur in einer winzigen Probe in einer großen Druckkammer existieren. Daher zeigt unsere Arbeit den ersten, entscheidenden Schritt in Richtung die große Herausforderung von Hochdruck-Materialanwendungen für zuvor nicht löschbare Phasen.“
Wendy Mao, Konservierung von Hochdruckflüchtigen in nanostrukturierten Diamantkapseln, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04955-z. www.nature.com/articles/s41586-022-04955-z
Bereitgestellt vom Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research