納米晶金剛石中高壓相的密封使得可以從金剛石砧中提取它們并以以前無(wú)法訪問(wèn)的方式對(duì)其進(jìn)行研究。同時(shí)，在膠囊內(nèi)保持與合成所用的壓力接近的壓力。
納米晶金剛石中夾雜物形式的高壓相的保留和研究示意圖
在達(dá)到并超過(guò)數(shù)十萬(wàn)個(gè)大氣壓的壓力下，壓縮能變得與物質(zhì)和材料中化學(xué)鍵的能量相當(dāng)，并且它們的性質(zhì)發(fā)生了顯著變化。石墨變成金剛石，氣態(tài)氧變成金屬，形成在正常條件下不可能組成的化合物。
這類(lèi)化合物中最有趣的一類(lèi)是超氫化物，它含有比傳統(tǒng)化學(xué)允許的更多的氫。鋰和鑭在常壓下形成氫化物 LiH 和 LaH 3 ，在數(shù)百萬(wàn)個(gè)大氣壓下形成 LiH 6和 LaH 10。
許多超氫化物充當(dāng)超導(dǎo)體，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于常壓下存在的最高溫度超導(dǎo)體。后者最有希望的代表銅酸釔鋇的轉(zhuǎn)變溫度為-180攝氏度。對(duì)于 LaH 10，它在 150 萬(wàn)個(gè)大氣壓下達(dá)到負(fù) 23 度，而超氫化物的研究才剛剛開(kāi)始。其中，很有可能找到一種在室溫下保持不變的超導(dǎo)體，而且?guī)缀蹩梢钥隙ㄋ粫?huì)在高壓下存在。
合成和研究高壓相相對(duì)容易：金剛石砧產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百萬(wàn)個(gè)大氣壓的壓力并傳輸紅外線和 X 射線輻射，可用于研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。不幸的是，幾乎所有這些相在從砧座中取出時(shí)都會(huì)分解。
由高壓科學(xué)與技術(shù)高級(jí)研究中心 (HPSTAR) 的曾志丹博士和斯坦福大學(xué)的 Wendy Mao 教授領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家提出了一種在金剛石砧外保持高壓相的方法并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。
他們使用了玻璃碳，這是一種碳的變體，在正常條件下不滲透氣體和液體，但在壓力下開(kāi)始通過(guò)它們。玻璃碳中的每個(gè)碳原子都與三個(gè)相鄰的碳原子相連，就像石墨一樣，但與后者不同的是，它的結(jié)構(gòu)在大于原子尺度的尺度上是無(wú)序的。
玻碳樣品。坩堝由這種材料制成，這種材料具有最高的耐腐蝕性，并且在沒(méi)有氧氣和氧化劑的情況下，耐溫高達(dá) 3000 度。左下角石墨立方體的大小為 1 厘米。
如果將扁平的石墨狀碎片連接成一個(gè)三維隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它們之間不可避免地會(huì)有很多空白空間，這反映在玻璃碳的密度非常低（1.5 克每立方厘米，而石墨為 2.5 克）。
科學(xué)家們將氬氣泵入預(yù)先放置有玻璃碳的金剛石砧中，然后將內(nèi)容物壓縮到 50 萬(wàn)個(gè)大氣壓并加熱到 1800 攝氏度。首先，在壓縮和加熱過(guò)程中，氬氣進(jìn)入玻碳結(jié)構(gòu)的空隙中，并像海綿一樣均勻地填充它。壓力和暴露溫度的進(jìn)一步增加重新排列了玻璃碳中化學(xué)鍵的結(jié)構(gòu)，使其變成了密度更大的納米晶金剛石。
納米晶金剛石中結(jié)晶氬形成閉孔的方案
在這種情況下，氬氣從轉(zhuǎn)化的碳結(jié)構(gòu)中被擠出并收集在封閉的孔隙中。隨著溫度的下降，碳原子之間的化學(xué)鍵失去了流動(dòng)性，氬氣被密封在鉆石內(nèi)部。
如測(cè)量結(jié)晶氬的殘余壓縮程度的 X 射線衍射所示，孔隙內(nèi)保持著高達(dá) 22 萬(wàn)大氣壓的壓力。同時(shí)，一些晶粒距離表面只有一納米。這使得通過(guò)在金剛石砧內(nèi)無(wú)法使用的方法（電子顯微鏡和光電子能譜）研究它們成為可能。
科學(xué)家們指出，孔隙中的最終壓力可以通過(guò)改變進(jìn)行合成的金剛石砧中的峰值壓力來(lái)設(shè)定——在這種情況下，它略小于最大值的一半。
通過(guò)透射電子顯微鏡獲得的具有近表面結(jié)晶氬包裹體的納米晶金剛石圖像。插圖顯示了具有明顯結(jié)晶氬衍射峰的衍射圖案。
需要注意的是，自然界中也會(huì)發(fā)生類(lèi)似的過(guò)程。
鉆石是在地幔中形成的，深度為數(shù)百公里，那里的壓力和溫度非常接近實(shí)驗(yàn)中使用的壓力和溫度。如果正在生長(zhǎng)的鉆石困住了周?chē)奈镔|(zhì)，那么即使在到達(dá)表面之后，其內(nèi)部的高壓也會(huì)保持不變。2018 年，首次在天然鉆石中發(fā)現(xiàn)了含有冰-VII的內(nèi)含物，僅在 22,000 個(gè)大氣壓以上穩(wěn)定 – 以前認(rèn)為在自然界中它僅存在于巨行星及其衛(wèi)星的內(nèi)部深處。
這個(gè)成就在哪里有用？邁斯納效應(yīng)，包括通過(guò)磁場(chǎng)推動(dòng)超導(dǎo)體并用于例如磁懸浮，不需要制造實(shí)心線：超導(dǎo)體的孤立顆粒也顯示了這一點(diǎn)。也許我們會(huì)在發(fā)現(xiàn)室內(nèi)超導(dǎo)體后不久看到第一個(gè)超導(dǎo)“反磁體”和基于它們的產(chǎn)品。
