Un disegno prospettico di capsule di diamante nanostrutturate (NDC) con nanodomini di argon ad alta pressione incorporati nella matrice. Le moderne sonde diagnostiche come raggi X duri/morbidi, luce ultravioletta-visibile-infrarossa, elettroni e fasci di neutroni sono tutte applicabili ai campioni NDC per le indagini. Credito:Charles Zeng
La conservazione degli stati di alta pressione dei materiali in condizioni ambientali è un obiettivo a lungo ricercato per la ricerca fondamentale e le applicazioni pratiche.
Un team di scienziati guidato dai Drs. Zhidan (Denise) Zeng, Qiaoshi Zeng e Ho-Kwang Mao del Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) e il Prof. Wendy Mao della Stanford University riferiscono di una svolta innovativa in cui sono stati in grado di mantenere le straordinarie proprietà di materiali ad alta pressione in capsule diamantate autoportanti e nanostrutturate senza il supporto di ingombranti recipienti a pressione tradizionali. Il loro lavoro è stato recentemente pubblicato su Nature .
La tecnologia moderna si basa sull'accesso a materiali con proprietà fisiche e chimiche adeguate che possono essere utilizzate per svolgere funzioni specifiche in vari dispositivi. I progressi tecnologici, quindi, sono spesso dettati dallo sviluppo di materiali superiori con proprietà desiderabili. L'alta pressione può alterare o regolare drasticamente le proprietà di tutti i materiali, fornendo così un terreno fertile per la scoperta di nuovi materiali con proprietà estremamente favorevoli.
L'avvertenza, tuttavia, è che le proprietà favorevoli spesso esistono solo sotto pressione quando il campione rimane nell'ingombrante recipiente ad alta pressione, limitando la ricerca scientifica e le potenziali applicazioni. Nel secolo scorso, gli scienziati hanno cercato di superare questa difficoltà. Sono riusciti solo nelle fasi "estinguenti", in cui i nuovi materiali sintetizzati ad alta pressione mantengono le loro proprietà favorevoli dopo aver rilasciato la pressione. Un esempio ben noto è la conversione ad alta pressione del carbonio ordinario in diamante che è in grado di mantenere la sua brillantezza e altre proprietà eccezionali dopo il recupero a pressioni ordinarie.
Sfortunatamente, esempi di tale successo di fasi estinguenti sono estremamente rari, e in gran parte rendono gli studi sui materiali ad alta pressione di solo interesse accademico con scarso valore pratico nell'ambiente ambientale.
Il gruppo di ricerca HPSTAR e Stanford ha sviluppato un nuovo approccio che ha dimostrato la capacità di estinguere anche i gas tenui e di preservarne le proprietà ad alta pressione. Hanno compresso il carbonio vetroso, una forma amorfa di carbonio poroso, insieme al gas argon a 50 gigapascal, circa 500.000 volte la pressione atmosferica, e hanno riscaldato il campione a 3.320 gradi Fahrenheit.
Il carbonio vetroso, inizialmente impermeabile ai gas in condizioni normali, assorbe l'argon come una spugna ad alte pressioni. L'applicazione di condizioni di alta pressione e temperatura converte il carbonio in diamante e intrappola l'argon ora solido ad alta pressione nei suoi pori. Il campione risultante che viene recuperato in condizioni ambientali si comporta come un composito di diamante nanocristallino con numerosi pori isolati che rappresentano come minuscole capsule di diamante riempite di argon.
La pressione residua conservata nell'argon dalla capsula di diamante è di 22 gigapascal, circa 220 volte la pressione sul fondo della Fossa delle Marianne. Meglio ancora, il campione di argon pressurizzato è sigillato da pelli di diamante spesse solo nanometri, consentendo alle sue straordinarie proprietà di essere accessibili dalle moderne sonde analitiche che richiedono ambienti vicini al vuoto come la microscopia elettronica.
"Osserviamo direttamente molti grani di argon ad alta pressione di dimensioni nanometriche incapsulati nella matrice di nano-diamanti mediante microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione; quindi, li abbiamo chiamati capsule di diamante nanostrutturate (NDC)", ha spiegato la dott.ssa Denise Zhidan Zeng, responsabile autore di quest'opera.
"Una delle chiavi per realizzare il concetto di NDC è scegliere il giusto precursore del carbonio che è sp 2 incollato e ha camere campione chiuse preesistenti. Questo ovviamente non è affatto limitato al carbonio vetroso. Pertanto, una varietà di allotropi di carbonio cristallino, amorfo e a bassa dimensione potrebbe essere potenzialmente utilizzata anche come carbonio precursore, offrendo un'ampia gamma di materiali per capsule per l'ottimizzazione del processo NDC", ha spiegato Zeng.
"L'utilizzo di più sonde diagnostiche complementari per ottenere risultati coerenti caratterizza la moderna ricerca sulla materia. Tuttavia, gli studi ad alta pressione in situ hanno sempre richiesto sonde ad alta penetrazione come i raggi X duri a causa delle spesse pareti del recipiente ad alta pressione coinvolte. Pertanto , molte sonde potenti e versatili, come la microscopia elettronica e la spettroscopia da ultravioletti a raggi X morbidi, che richiedono un ambiente vicino al vuoto, purtroppo, rimangono incompatibili con la scienza e la tecnologia ad alta pressione. Ciò ha gravemente ostacolato i nostri sforzi per comprendere molti -materiali a pressione", ha affermato il dottor Qiaoshi Zeng.
"Sintetizzando gli NDC, offriamo un metodo generale per rimuovere ingombranti recipienti a pressione mantenendo le condizioni di alta pressione e quindi il comportamento ad alta pressione nei nostri campioni. Ora possiamo utilizzare quasi tutte le moderne sonde diagnostiche per ottenere informazioni dettagliate sull'atomo /strutture elettroniche, composizioni e natura di legame dei materiali ad alta pressione all'interno degli NDC, comprese varie tecniche basate sulla microscopia elettronica a trasmissione. Siamo entusiasti della possibilità che un approccio basato sugli NDC porti esplorazioni ad alta pressione alla pari con condensato convenzionale- indagini e domande sulla materia."
"Oltre ai gas che abbiamo esplorato nel nostro studio, ci aspettiamo anche che il concetto di NDC sia generalmente applicabile a vari campioni solidi", ha affermato la prof.ssa Wendy Mao.
"Inoltre, i campioni NDC sono in linea di principio cumulativi con il potenziale per sintesi illimitate e multiple, rimuovendo così il limite in cui i fenomeni di alta pressione esistono solo in un piccolo campione all'interno di una grande camera a pressione. Pertanto, il nostro lavoro dimostra il primo, fondamentale passo verso la grande sfida delle applicazioni di materiali ad alta pressione per fasi precedentemente inestinguibili." + Esplora ulteriormente
