我國科學(xué)家向高壓材料實(shí)際應(yīng)用邁出關(guān)鍵一步 重大創(chuàng)新性成果發(fā)表在《自然》上

近日，北京高壓科學(xué)研究中心曾橋石研究員帶領(lǐng)的國際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種通用的“金剛石納米壓艙”復(fù)合材料，不需要傳統(tǒng)壓力裝置的支撐，就可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)高壓力狀態(tài)的永久封存。該突破為實(shí)現(xiàn)高壓材料的實(shí)際應(yīng)用邁出了關(guān)鍵的一步。這一重大創(chuàng)新性成果于8月17日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。曾橋石說：“除了氣體，‘金剛石納米高壓艙’的概念也可以應(yīng)用到各種形態(tài)的初始目標(biāo)材料上，我們?cè)诤竺娴难芯恐袑?huì)嘗試封裝固體材料，比如高溫超導(dǎo)體。從而讓高壓材料的優(yōu)異性質(zhì)不再局限于實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究，而可以像常壓材料一樣在日常生活中獲得廣泛的應(yīng)用。”

據(jù)介紹，材料是現(xiàn)代科技的基石。因此，科技的進(jìn)步和革新往往嚴(yán)重依賴新的、具有特殊性能的先進(jìn)材料的開發(fā)。對(duì)于特定材料，只需要改變它所承受的外加壓力，往往就能夠顯著地改變其性質(zhì)，從而給探索優(yōu)化、甚至全新的材料性能提供廣闊的空間和可能。然而，讓人遺憾的是，大部分在高壓下發(fā)現(xiàn)的優(yōu)異性質(zhì)只能存在于高壓下。因此為了產(chǎn)生和維持壓力所需的堅(jiān)固厚實(shí)的加壓裝置成了高壓材料和實(shí)際應(yīng)用之間不可逾越的阻隔。在過去的一個(gè)世紀(jì)里，科學(xué)家持續(xù)地做出了各種努力試圖克服這種困難。他們廣泛研究不同的材料體系，發(fā)現(xiàn)存在一類特殊的高壓合成的亞穩(wěn)材料能夠在卸壓后保留到常壓。典型的例子就是高壓條件下利用普通的碳材料合成的金剛石能夠在外部壓力卸掉后依然在常壓下存在，并且保持其閃亮的外觀和各種卓越的性質(zhì)。遺憾的是，這種幸運(yùn)的例子很少。因此，高壓物質(zhì)更多還是實(shí)驗(yàn)室里開展基礎(chǔ)研究的重要對(duì)象，卻很少能夠大規(guī)模地進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用，在人們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮廣泛作用。

北京高壓科學(xué)研究中心和美國斯坦福大學(xué)以及阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的合作研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種全新的方法。利用這種方法，他們成功地把難束縛的氣體的極端高壓態(tài)及其性質(zhì)保留到常壓環(huán)境。他們首先把一種名為“玻璃碳”的富含納米空洞的碳材料和氬氣一起加壓到大約50吉帕(50萬個(gè)大氣壓)的高壓狀態(tài)，再把玻璃碳加熱到大約1800攝氏度。在常壓下的玻璃碳是一種氣密性很好的材料，然而他們發(fā)現(xiàn)在高壓下，玻璃碳可以猶如海綿吸水一樣把氬氣吸納儲(chǔ)存到其納米空洞中。高壓加上高溫可以促使高壓態(tài)玻璃碳轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊蛔顖?jiān)硬的物質(zhì)——金剛石。而后，當(dāng)去除壓力和溫度，把樣品從壓力裝置中取出時(shí)，意外的是，處于常壓環(huán)境的金剛石樣品內(nèi)部包含的大量納米孔洞中永久封存了處于極高壓力狀態(tài)的氬，形成了一種在金剛石基體中嵌入大量高壓納米氬顆粒的復(fù)合材料——“金剛石納米高壓艙”。實(shí)驗(yàn)表明這些氬顆粒內(nèi)的壓力高達(dá)22吉帕，約是地球海洋最深處的馬里亞納海溝底部壓力的220倍。在這種復(fù)合材料中，包裹高壓氬顆粒的金剛石的厚度卻只需要幾十納米。因此，沒有了傳統(tǒng)厚實(shí)高壓腔體的阻隔，大多數(shù)要求在常壓或者真空環(huán)境工作的現(xiàn)代材料研究探測(cè)手段，例如電子顯微鏡，都可以對(duì)其進(jìn)行直接的探測(cè)和研究。利用金剛石納米高壓艙，高壓態(tài)材料就可以擁有“平易近人”的常壓的外表，卻保留高壓的內(nèi)心和高壓下才具有的優(yōu)異性能。(記者袁于飛)

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