科技前沿|金刚石纳米高压舱

“将高压下产生的各种新奇物理、化学性质保留到常压”不断是基础研究和材料应用领域的一个长期追求。最近，北京高压科研研究中心曾桥石研究员带领的研究团队取得了里程碑式突破——他们制备了一种由金刚石构成的纳米压力舱复合材料，能够把物质的高压态永久地封存在其中。这一成果使得高压材料可以摆脱传统压力装置的物理束缚而能如普通材料一样在常压条件下独立存在，从而扫除了高压态物质基础研究和应用的一个主要障碍。

图1  各种激光辐射到金刚石内部示意图

压力是决定物质状态的一个基本参量。顺利获得施加压力，可以有效改变物质内部的原子排布，进而改变其结构和性质。一种简单物质在高压下甚至能产生10种以上的新结构，因此，高压为新型材料开发给予了无限的探索空间。然而，大部分在压力下取得的新奇性质往往无法保留到常压环境，也就无法取得实际应用。在过去的一个世纪里，科研家们持续做了各种努力试图克服这一困难。在大量材料体系的高压研究中，科研家们发现有一类高压下形成的亚稳态材料能够保留到常压条件。典型的例子就是常压下柔软的、层状石墨（碳）在高压下转化成坚硬的、立方结构的金刚石，并能够在外部压力去除后依然保持金刚石的结构以及优异性质。然而，遗憾的是，这种幸运的例子很少。因此，高压研究更多还主要是实验室召开的基础研究，很少能够大规模的进入工业应用，并在人们日常生活中发挥广泛的作用。

经过多年的研究，来自北京高压科研研究中心、美国斯坦福大学以及阿贡国家实验室的合作研究团队开发了一种新方法，可以成功地把难束缚的气体的极端高压态及其性质保留到常压环境。第一时间，他们把一种名为“玻璃碳”的富含纳米孔洞的碳材料和氩气在高压装置——金刚石对顶砧中一起加压（约50GPa），他们发现，常压下气密性很好的玻璃碳，在压力作用下却可以犹如海绵吸水一样吸纳储存氩气到其纳米孔洞中。然后在高压下使用激光对玻璃碳原位加热至约1800摄氏度，从而促使玻璃碳转变成金刚石。当去掉高压和高温条件，他们把整个样品从压力装置中取出，发现金刚石内部包含的氩依然保持了极高的压力（约22GPa）。高分辨电子显微镜显示，大量纳米尺寸、高压态的氩晶粒镶嵌在纳米级厚度的金刚石的基体中。因此，他们给这种特殊的高压复合材料取名为“金刚石纳米高压舱”。另外，为了表明该方法的通用性，他们用同样的方法也成功将高压态的氖气封装于“金刚石纳米高压舱”。 

图2  金刚石纳米高压舱合成过程示意图

“实现金刚石纳米高压舱这个革新概念的关键之一是选择合适的前驱体。碳原子之间不能有致密的三维网络连接，并且需要含有大量分立的纳米孔洞可以作为存储高压物质的样品腔。”研究员介绍。只要满足这两个条件，很多碳材料，包括晶态，非晶态，低维碳材料等都可以成为金刚石纳米高压舱的前驱体材料，从而给进一步优化金刚石纳米高压舱材料的合成过程和产物给予了广阔的空间。

探测物质在高压下的结构和性质，由于“厚实”的传统高压腔体的阻隔，往往需要具有高穿透性的探针，例如高能量的硬X射线。因此，许多穿透能力弱，需要接近真空工作环境的现代先进探测技术，例如电子显微镜，真空紫外光谱、软X射线光谱等，往往不能用于高压物质研究，这严重阻碍了高压物质科研的开展。“金刚石纳米高压舱”的发明让我们找到了摆脱这个长期困境的一个有效途径。由于没有额外的压力装置的限制和束缚，一切以前用于常压材料研究的技术和方法也将可以直接用于高压态的材料研究。很多以前难以取得的高压材料的结构、成分、成键等关键信息也将不再是问题。我们期待很多以前没有解决的高压科研难题能因此取得突破，也期望我们的成果能促使在高压材料的广阔未知空间产生大量颠覆性的意外发现。” 研究员解释。

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