A preservação dos estados de alta pressão dos materiais em condições ambientais é um objetivo há muito procurado para pesquisas fundamentais e aplicações práticas.
Uma equipe de cientistas liderada pelos Drs. Zhidan (Denise) Zeng, Qiaoshi Zeng e Ho-Kwang Mao do Centro de Pesquisa Avançada em Ciência e Tecnologia de Alta Pressão (HPSTAR) e a Profa. materiais de alta pressão em cápsulas de diamante nanoestruturadas autônomas sem o suporte de vasos de pressão volumosos tradicionais. Seu trabalho foi publicado recentemente na Nature .

A tecnologia moderna é construída sobre o acesso a materiais com propriedades físicas e químicas adequadas que podem ser usados ​​para desempenhar funções específicas em vários dispositivos. Os avanços tecnológicos, portanto, são muitas vezes ditados pelo desenvolvimento de materiais superiores com propriedades desejáveis. A alta pressão pode alterar ou ajustar drasticamente as propriedades de todos os materiais, proporcionando assim um terreno fértil para a descoberta de novos materiais com propriedades extremamente favoráveis.

A ressalva, no entanto, é que as propriedades favoráveis ​​geralmente só existem sob pressão quando a amostra permanece no vaso volumoso de alta pressão, limitando a investigação científica e as aplicações potenciais. No século passado, os cientistas tentaram superar essa dificuldade. Eles tiveram sucesso apenas em fases "extinguíveis", onde novos materiais sintetizados em alta pressão mantêm suas propriedades favoráveis ​​​​após a liberação da pressão. Um exemplo bem conhecido é a conversão de alta pressão de carbono comum em diamante, que é capaz de manter seu brilho e outras propriedades excepcionais após a recuperação em pressões comuns.

Infelizmente, tais exemplos bem sucedidos de fases extinguíveis são extremamente raros, em grande parte tornando os estudos de materiais de alta pressão de interesse apenas acadêmico com pouco valor prático no ambiente ambiente.

O grupo de pesquisa HPSTAR e Stanford desenvolveu uma nova abordagem que demonstrou a capacidade de extinguir até gases tênues e preservar suas propriedades de alta pressão. Eles comprimiram o carbono vítreo, uma forma amorfa de carbono poroso, junto com o gás argônio a 50 gigapascals – cerca de 500.000 vezes a pressão atmosférica, e aqueceram a amostra a 3.320 graus Fahrenheit.

O carbono vítreo que é inicialmente impermeável a gases em condições normais absorve argônio como uma esponja em altas pressões. A aplicação de condições de alta pressão e temperatura converte o carbono em diamante e retém o argônio agora sólido e de alta pressão em seus poros. A amostra resultante que é recuperada em condições ambientais se comporta como um composto de diamante nanocristalino com numerosos poros isolados que representam pequenas cápsulas de diamante preenchidas com argônio.

A pressão residual preservada no argônio pela cápsula de diamante chega a 22 gigapascals – cerca de 220 vezes a pressão no fundo da Fossa das Marianas. Melhor ainda, a amostra de argônio pressurizado é selada por apenas peles de diamante de espessura nanométrica, permitindo que suas propriedades extraordinárias sejam acessíveis por sondas analíticas modernas que exigem ambientes de vácuo próximo, como microscopia eletrônica.

"Observamos diretamente muitos grãos de argônio de alta pressão de tamanho nanométrico encapsulados na matriz de nanodiamantes por microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução; assim, os chamamos de cápsulas de diamante nanoestruturadas (NDCs)", explicou a Dra. Denise Zhidan Zeng, líder autor desta obra.

"Uma das chaves para concretizar o conceito de NDCs é escolher o precursor de carbono correto, que é sp ² colado e tem câmaras de amostra fechadas pré-existentes. Obviamente, isso não está limitado ao carbono vítreo. Portanto, uma variedade de alótropos de carbono cristalino, amorfo e de baixa dimensão também poderia ser usado como o carbono precursor, oferecendo uma ampla gama de materiais de cápsula para otimização do processo NDC", explicou Zeng.

"O uso de várias sondas de diagnóstico complementares para obter resultados consistentes caracteriza a pesquisa moderna de assuntos. No entanto, os estudos de alta pressão in situ sempre exigiram sondas de alta penetração, como raios-X rígidos, devido às paredes espessas dos vasos de alta pressão envolvidas. Portanto, , muitas sondas poderosas e versáteis, como microscopia eletrônica e espectroscopia de ultravioleta a vácuo para raios-X macios, que requerem um ambiente próximo ao vácuo, infelizmente, permanecem incompatíveis com a ciência e tecnologia de alta pressão. -materiais de pressão", disse o Dr. Qiaoshi Zeng.

"Sintetizando NDCs, oferecemos um método geral para remover vasos de pressão volumosos, mantendo as condições de alta pressão e, portanto, o comportamento de alta pressão em nossas amostras. /estruturas eletrônicas, composições e natureza de ligação de materiais em altas pressões dentro de NDCs, incluindo várias técnicas baseadas em microscopia eletrônica de transmissão. Estamos empolgados com a possibilidade de que uma abordagem baseada em NDCs traga explorações de alta pressão no mesmo nível das convencionais. investigações e aplicações do assunto."

"Além dos gases que exploramos em nosso estudo, também esperamos que o conceito de NDCs seja geralmente aplicável a várias amostras sólidas", disse a Prof. Wendy Mao.

"Além disso, as amostras NDC são, em princípio, cumulativas com o potencial para sínteses múltiplas e ilimitadas, removendo assim a limitação de que os fenômenos de alta pressão existem apenas em uma pequena amostra dentro de uma grande câmara de pressão. Portanto, nosso trabalho demonstra o primeiro passo crítico para o grande desafio de aplicações de materiais de alta pressão para fases anteriormente inextinguíveis." + Explorar mais

Diamante amorfo sintetizado