La préservation des états de haute pression des matériaux dans des conditions ambiantes est un objectif recherché depuis longtemps pour la recherche fondamentale et les applications pratiques.
Une équipe de scientifiques dirigée par les Drs. Zhidan (Denise) Zeng, Qiaoshi Zeng et Ho-Kwang Mao du Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) et le professeur Wendy Mao de l’Université de Stanford rapportent une percée innovante où ils ont pu maintenir les propriétés extraordinaires de des matériaux haute pression dans des capsules de diamant nanostructurées autoportantes sans le support des récipients sous pression encombrants traditionnels. Leurs travaux ont récemment été publiés dans La nature.
La technologie moderne repose sur l’accès à des matériaux dotés de propriétés physiques et chimiques appropriées qui peuvent être utilisés pour exécuter des fonctions spécifiques dans divers dispositifs. Par conséquent, les progrès technologiques sont souvent dictés par le développement de matériaux supérieurs aux propriétés souhaitables. La haute pression peut modifier ou ajuster radicalement les propriétés de tous les matériaux, offrant ainsi un terrain fertile pour la découverte de nouveaux matériaux aux propriétés extrêmement favorables.
La mise en garde est cependant que les propriétés favorables n’existent souvent que sous pression lorsque l’échantillon reste dans le récipient à haute pression volumineux, ce qui limite les recherches scientifiques et les applications potentielles. Depuis un siècle, les scientifiques tentent de surmonter cette difficulté. Ils n’ont réussi que dans les phases « quenchables », où les nouveaux matériaux synthétisés à haute pression conservent leurs propriétés favorables après relâchement de la pression. Un exemple bien connu est la conversion à haute pression du carbone ordinaire en diamant qui est capable de conserver sa brillance et d’autres propriétés exceptionnelles après récupération à des pressions ordinaires.
Malheureusement, de tels exemples réussis de phases quenchable sont extrêmement rares, ce qui rend largement les études sur les matériaux à haute pression d’un intérêt académique avec peu de valeur pratique dans l’environnement ambiant.
Le groupe de recherche HPSTAR et Stanford a développé une nouvelle approche qui a démontré la capacité d’éteindre même les gaz ténus et de préserver leurs propriétés à haute pression. Ils ont comprimé du carbone vitreux, une forme amorphe de carbone poreux, avec du gaz argon à 50 gigapascals, soit environ 500 000 fois la pression atmosphérique, et ont chauffé l’échantillon à 3 320 degrés Fahrenheit.
Le carbone vitreux initialement imperméable aux gaz dans les conditions ordinaires absorbe l’argon comme une éponge à haute pression. L’application de conditions de pression et de température élevées convertit le carbone en diamant et emprisonne l’argon à haute pression désormais solide dans ses pores. L’échantillon résultant qui est récupéré dans des conditions ambiantes se comporte comme un composite de diamant nanocristallin avec de nombreux pores isolés qui représentent de minuscules capsules de diamant remplies d’argon.
La pression résiduelle préservée dans l’argon par la capsule de diamant atteint 22 gigapascals, soit environ 220 fois la pression au fond de la fosse des Mariannes. Mieux encore, l’échantillon d’argon sous pression n’est scellé que par des peaux de diamant d’une épaisseur nanométrique permettant à ses propriétés extraordinaires d’être accessibles par des sondes analytiques modernes qui nécessitent des environnements proches du vide comme la microscopie électronique.
« Nous observons directement de nombreux grains d’argon à haute pression de taille nanométrique encapsulés dans la matrice de nano-diamants par microscopie électronique à transmission à haute résolution ; nous les avons donc nommés capsules de diamant nanostructurées (NDC) », a expliqué le Dr Denise Zhidan Zeng, responsable auteur de cet ouvrage.
« L’une des clés de la réalisation du concept de NDC est de choisir le bon précurseur de carbone qui est lié sp2 et possède des chambres d’échantillons fermées préexistantes. Ceci n’est évidemment en aucun cas limité au carbone vitreux. Par conséquent, une variété de cristaux cristallins, amorphes, et les allotropes de carbone de faible dimension pourraient également être utilisés comme carbone précurseur, offrant une large gamme de matériaux de capsule pour l’optimisation du processus NDC », a expliqué Zeng.
« L’utilisation de plusieurs sondes de diagnostic complémentaires pour obtenir des résultats cohérents caractérise la recherche moderne sur la matière. Cependant, les études in situ à haute pression ont toujours nécessité des sondes à haute pénétration telles que les rayons X durs en raison des parois épaisses des vaisseaux à haute pression impliqués. Par conséquent , de nombreuses sondes puissantes et polyvalentes, telles que la microscopie électronique et la spectroscopie ultraviolette à rayons X mous sous vide, qui nécessitent un environnement proche du vide, restent malheureusement incompatibles avec la science et la technologie à haute pression. -matériaux sous pression », a déclaré le Dr Qiaoshi Zeng.
« En synthétisant les NDC, nous proposons une méthode générale pour éliminer les récipients sous pression volumineux tout en maintenant les conditions de haute pression et donc le comportement à haute pression de nos échantillons. Nous pouvons désormais utiliser presque toutes les sondes de diagnostic modernes pour obtenir des informations détaillées sur l’atome. /structures électroniques, compositions et nature de liaison des matériaux à haute pression à l’intérieur des NDC, y compris diverses techniques basées sur la microscopie électronique à transmission. enquêtes et applications de la matière. »
« Au-delà des gaz que nous avons explorés dans notre étude, nous nous attendons également à ce que le concept de NDC soit généralement applicable à divers échantillons solides », a déclaré le professeur Wendy Mao.
« De plus, les échantillons NDC sont en principe cumulatifs avec le potentiel de synthèses multiples illimitées, supprimant ainsi la limitation où les phénomènes de haute pression n’existent que dans un petit échantillon à l’intérieur d’une grande chambre de pression. Par conséquent, notre travail démontre la première étape critique vers le grand défi des applications de matériaux à haute pression pour des phases jusqu’alors inextinguibles. »
Wendy Mao, Préservation des volatils à haute pression dans des capsules de diamant nanostructurées, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04955-z. www.nature.com/articles/s41586-022-04955-z
Fourni par Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research