我科学家向高压材料实际应用迈出关键一步

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近日，北京高压科学研究中心曾桥石研究员带领的国际研究团队发明了一种通用的“金刚石纳米压舱”复合材料，不需要传统压力装置的支撑，就可以实现物质高压力状态的永久封存。该突破为实现高压材料的实际应用迈出了关键的一步。这一重大创新性成果于8月17日在国际学术期刊《自然》上发表。曾桥石说：“除了气体，‘金刚石纳米高压舱’的概念也可以应用到各种形态的初始目标材料上，我们在后面的研究中将会尝试封装固体材料，比如高温超导体。从而让高压材料的优异性质不再局限于实验室的基础研究，而可以像常压材料一样在日常生活中获得广泛的应用。”
据介绍，材料是现代科技的基石。因此，科技的进步和革新往往严重依赖新的、具有特殊性能的先进材料的开发。对于特定材料，只需要改变它所承受的外加压力，往往就能够显著地改变其性质，从而给探索优化、甚至全新的材料性能提供广阔的空间和可能。然而，让人遗憾的是，大部分在高压下发现的优异性质只能存在于高压下。因此为了产生和维持压力所需的坚固厚实的加压装置成了高压材料和实际应用之间不可逾越的阻隔。在过去的一个世纪里，科学家持续地做出了各种努力试图克服这种困难。他们广泛研究不同的材料体系，发现存在一类特殊的高压合成的亚稳材料能够在卸压后保留到常压。典型的例子就是高压条件下利用普通的碳材料合成的金刚石能够在外部压力卸掉后依然在常压下存在，并且保持其闪亮的外观和各种卓越的性质。遗憾的是，这种幸运的例子很少。因此，高压物质更多还是实验室里开展基础研究的重要对象，却很少能够大规模地进入工业应用，在人们日常生活中发挥广泛作用。
北京高压科学研究中心和美国斯坦福大学以及阿贡国家实验室的合作研究团队发明了一种全新的方法。利用这种方法，他们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。他们首先把一种名为“玻璃碳”的富含纳米空洞的碳材料和氩气一起加压到大约50吉帕（50万个大气压）的高压状态，再把玻璃碳加热到大约1800摄氏度。在常压下的玻璃碳是一种气密性很好的材料，然而他们发现在高压下，玻璃碳可以犹如海绵吸水一样把氩气吸纳储存到其纳米空洞中。高压加上高温可以促使高压态玻璃碳转变为天然最坚硬的物质——金刚石。而后，当去除压力和温度，把样品从压力装置中取出时，意外的是，处于常压环境的金刚石样品内部包含的大量纳米孔洞中永久封存了处于极高压力状态的氩，形成了一种在金刚石基体中嵌入大量高压纳米氩颗粒的复合材料——“金刚石纳米高压舱”。实验表明这些氩颗粒内的压力高达22吉帕，约是地球海洋最深处的马里亚纳海沟底部压力的220倍。在这种复合材料中，包裹高压氩颗粒的金刚石的厚度却只需要几十纳米。因此，没有了传统厚实高压腔体的阻隔，大多数要求在常压或者真空环境工作的现代材料研究探测手段，例如电子显微镜，都可以对其进行直接的探测和研究。利用金刚石纳米高压舱，高压态材料就可以拥有“平易近人”的常压的外表，却保留高压的内心和高压下才具有的优异性能。