Nature | 突破!毛河光院士等团队首次将高压挥发物“封存”在纳米结构金刚石胶囊中

高压会引起冷凝挥发物的剧烈变化和新现象,这些挥发物在从压力容器中回收后通常不会保存下来。

2022年8月17日,上海高压科学与技术先进研究中心曾桥石,毛河光及斯坦福大学Wendy L. Mao共同通讯在Nature在线发表题为“Preservation of high-pressure volatiles in nanostructured diamond capsules”的研究论文,该研究报告了一种将挥发物加压到 1 型玻璃碳前体的纳米孔中,通过加热将玻璃碳转化为纳米晶金刚石并合成能够在高压下永久保存挥发物的独立纳米结构金刚石胶囊 (NDC) 的过程,即使在释放回包括电子显微镜在内的各种基于真空的诊断探头的环境条件。

作为演示,该研究对保存在 NDC 中的高压氩气样品进行了全面研究。同步加速器 X 射线衍射和高分辨率透射电子显微镜显示纳米级氩晶体嵌入纳米晶金刚石中,约为 22.0 千兆帕斯卡,能量色散 X 射线光谱提供定量成分分析,电子能量损失光谱详细介绍了化学键合性质高压氩气。可以通过控制 NDC 合成压力来调整 NDC 内氩气样品的保存压力。为了测试 NDC 工艺的普遍适用性,该研究表明高压氖也可以被困在 NDC 中,并且类型 2 玻璃碳可以用作前体容器材料。对其他挥发物和碳同素异形体的进一步实验开启了将高压探索与主流凝聚态研究和应用相提并论的可能性。

Nature | 突破!毛河光院士等团队首次将高压挥发物“封存”在纳米结构金刚石胶囊中

压力产生和原位表征技术的进步为物理和材料探索开辟了广阔的新前沿,包括最近在近室温超导、金属氢、黑磷结构氮等方面的突破。然而,这些基于挥发性的材料及其新特性只能在压力下才能维持。尽管已经成功开发了许多实验探头,以通过压力容器的厚壁原位研究高压样品,例如大容量压力机或金刚石砧座 (DAC),但一些最强大和通用的探头对于现代材料研究,例如电子显微镜和真空紫外 (UV) 到软 X 射线光谱,需要一个与高压科学和技术不兼容的近真空环境。此外,这些高压容器仅用于淬火和保留高压材料,而不是“压力”本身。最终的挑战是开发一个实验过程,其中样品可以从高压容器中取出,但保留其高压条件,以便在环境到真空条件下进行研究和应用。
金刚石内含物是已知的高压(数千兆帕或更高)挥发性物质的自然例子,例如 ice VII,可以保持其高压形式和与其形成的深地条件相对应的压力,但内含物通常深埋在钻石和真空技术无法达到。实验室证明,碳纳米管的薄的、类似石墨烯的表皮具有将非挥发性样品限制在数十吉帕斯卡高压下的强度,用于电子显微镜研究。Banhart 和 Ajayan 发现,高压透射电子显微镜 (TEM) 下的高能电子辐照导致“碳洋葱”颗粒收缩,从而在碳颗粒的核心产生相当大的压力。
一些金属和矿物已被封装在碳纳米管或颗粒中,用于原位高压 TEM 研究,方法是将石墨层沉积到纳米颗粒上或将材料加载到溶液中的纳米容器中(加载产率约为 1%)。这些研究调查了压力下样品的结构和组成,并监测了它们在原子尺度上的行为。然而,即使在理想的实验条件下,将目标材料密封在碳纳米管内并通过去除碳原子来施加压力在技术上也是具有挑战性的,并且对于气体或液体样品是不可行的。此外,这样的操作一次在一个纳米管上进行,对于需要合成大量材料的应用来说是不切实际的。然而,这些先前的研究表明,由于存在强共价 C-C 键,一些碳原子层可以承受高达 40 GPa 的压力(通过模拟估计)。
Nature | 突破!毛河光院士等团队首次将高压挥发物“封存”在纳米结构金刚石胶囊中
NDC合成过程示意图(图源自Nature
该研究报告了一种将挥发物加压到 1 型玻璃碳前体的纳米孔中,通过加热将玻璃碳转化为纳米晶金刚石并合成能够在高压下永久保存挥发物的独立纳米结构金刚石胶囊 (NDC) 的过程,即使在释放回包括电子显微镜在内的各种基于真空的诊断探头的环境条件。
作为演示,该研究对保存在 NDC 中的高压氩气样品进行了全面研究。同步加速器 X 射线衍射和高分辨率透射电子显微镜显示纳米级氩晶体嵌入纳米晶金刚石中,约为 22.0 千兆帕斯卡,能量色散 X 射线光谱提供定量成分分析,电子能量损失光谱详细介绍了化学键合性质高压氩气。可以通过控制 NDC 合成压力来调整 NDC 内氩气样品的保存压力。为了测试 NDC 工艺的普遍适用性,该研究表明高压氖也可以被困在 NDC 中,并且类型 2 玻璃碳可以用作前体容器材料。对其他挥发物和碳同素异形体的进一步实验开启了将高压探索与主流凝聚态研究和应用相提并论的可能性。
参考消息:
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04955-z

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