我科學家在高壓材料實際應用上有了新突破

近日，北京高壓科學研究中心曾橋石研究員帶領的國際研究團隊發明了一種通用的“金剛石納米壓艙”復合材料，不需要傳統壓力裝置的支撐，就可以實現物質高壓力狀態的永久封存。該突破為實現高壓材料的實際應用邁出了關鍵的一步。這一重大創新性成果于8月17日在國際學術期刊《自然》上發表。曾橋石說：“除了氣體，‘金剛石納米高壓艙’的概念也可以應用到各種形態的初始目標材料上，我們在后面的研究中將會嘗試封裝固體材料，比如高溫超導體。從而讓高壓材料的優異性質不再局限于實驗室的基礎研究，而可以像常壓材料一樣在日常生活中獲得廣泛的應用。”

據介紹，材料是現代科技的基石。因此，科技的進步和革新往往嚴重依賴新的、具有特殊性能的先進材料的開發。對于特定材料，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，從而給探索優化、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，大部分在高壓下發現的優異性質只能存在于高壓下。因此為了產生和維持壓力所需的堅固厚實的加壓裝置成了高壓材料和實際應用之間不可逾越的阻隔。在過去的一個世紀里，科學家持續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，發現存在一類特殊的高壓合成的亞穩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。遺憾的是，這種幸運的例子很少。因此，高壓物質更多還是實驗室里開展基礎研究的重要對象，卻很少能夠大規模地進入工業應用，在人們日常生活中發揮廣泛作用。

北京高壓科學研究中心和美國斯坦福大學以及阿貢國家實驗室的合作研究團隊發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及其性質保留到常壓環境。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（50萬個大氣壓）的高壓狀態，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，然而他們發現在高壓下，玻璃碳可以猶如海綿吸水一樣把氬氣吸納儲存到其納米空洞中。高壓加上高溫可以促使高壓態玻璃碳轉變為天然最堅硬的物質——金剛石。而后，當去除壓力和溫度，把樣品從壓力裝置中取出時，意外的是，處于常壓環境的金剛石樣品內部包含的大量納米孔洞中永久封存了處于極高壓力狀態的氬，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合材料——“金剛石納米高壓艙”。實驗表明這些氬顆粒內的壓力高達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，沒有了傳統厚實高壓腔體的阻隔，大多數要求在常壓或者真空環境工作的現代材料研究探測手段，例如電子顯微鏡，都可以對其進行直接的探測和研究。利用金剛石納米高壓艙，高壓態材料就可以擁有“平易近人”的常壓的外表，卻保留高壓的內心和高壓下才具有的優異性能。