两级金刚石砧如何达到九百万大气压的压力

　　科学家们很久以前就学会了如何使材料承受与地球中心压力相当的静压，很长一段时间以来，这方面都没有进一步的进展。现在，实验室中获得的压力已与冰巨星天王星和海王星的肠胃相比。
　　扩展金刚石砧可达到的压力范围允许探索奇异的晶体结构，例如氮化铼Re7N3
　　有一种特殊的物理研究，其特点是几乎是运动的兴奋最多的竞赛。实验室达到的最低和最高温度，最强磁场和最高粒子能量，最高真空和最高压力。对这些数量中每一个的记录的追求已经并继续带来许多结果包括与极端条件下物质行为相关的发现，以及技术创新。
　　在本文中，我们将讨论高压实验研究的新成果，以及在停滞半个世纪后如何迈出下一步。高压改变物质
　　在物理学中，高压是这样定义的：它改变了物质的性质和行为。因此，它的范围从数千个大气压开始。首先，随着压力的增加，相变开始发生：普通的晶体结构被更密集的结构所取代，晶格越强，它们开始的时间就越晚。水冰在两千多个大气压下发生变化，石英在3万大气压下发生变化。
　　水的状态对压力和温度的依赖性（详图）。垂直压力（1MPa10个大气压），水平温度。冰的蓝色标记修改阴影，橙色线表示液态水密度相同的点。
　　然后效果延伸到化学键。苯在30万个大气压下变成聚合物形式，而在140万个大气压下，同样的事情也会发生在以惰性着称的氮上。高压会增加反应速率，如果某物可以与某物发生反应，那么在足够高的压力下它就会发生反应。就像电一样：没有坏导体，没有足够高的电压。
　　在更高的压力下，从几百万个大气压开始，元素的化学性质决定了它们在正常条件下的化合物组成，只让位于一个愿望在压力下尽可能紧密地堆积原子。在熟悉的环境中，钠只能与一个氯原子结合，形成岩盐NaCl，而在数百万个大气压下，学校化学教科书中的这条铁律明显软化形成了难以想象的NaCl3和Na3Cl化合物。
　　随着压力的增加，低卤化钠中化学键的转变。从左到右：金属钠和食盐的结构，在常压下分别存在，氯逐渐进入钠的结构，氯原子之间形成键。蓝色圆圈是钠原子，绿色圆圈是氯原子。
　　在数以百万计的大气压下，以压力和体积的乘积表示的压缩能不仅超过了化学键的能量，也超过了原子自身电子与原子核的键的能量。电子感觉不到与原子的连接并离域，在足够高的压力下，任何化学元素及其组合迟早都会获得金属导电性。根据理论计算，在氦气中，这种转变发生在3。3亿个大气压下，因此即使在木星深处，它仍然不会导电。
　　高压物理通常不会带来研究人员最初希望的结果。金属氢是该领域的圣杯之一，被发现在常压下不稳定。但是尝试得到它导致了许多其他有趣的发现。事实证明，在高压下，可以进入化合物成分中的氢比化合价所允许的要多得多。其中一些可能是金属氢本身具有高温超导性。
　　例如，镧在正常条件下，完全符合其化学性质，仅与三个氢原子结合，形成氢化物LaH3，但在压力下，氢原子数可达十个。在150万个大气压下，超氢化镧LaH10在零下23至正七摄氏度的温度下成为超导体。冷却更传统的铜酸盐超导体所需的液氮相比，这个温度几乎是室温。一些超氢化物可能是亚稳态的，足以用于储氢，而其他一些用于高温超导的实际应用。
　　根据理论计算，当压力下降到10万大气压时，金属氢本身会分解，但如果对于它的任何一种超导合金，这个数字可以减少十倍，并且合金可以放入碳纳米管中（可以将其含量压缩到40万大气压）用电子束照射的大气），那么也许可以用它们制造电线。
　　高压下的实验也使解释地球和其他行星大气中缺乏氙成为可能。事实证明，在压力下，氙气能够取代石英中的硅，而且它很可能与地幔深处的岩石以及天王星和海王星深处的高压冰密切相关。制造高压
　　在物理学中，经常会出现随着物理量的增加，实现它的难度不均匀地增加的情况。一开始，很多技术方案都适合，然后一切都取决于技术的突破和发明：上一个技术的改进争取百分比，下一个可以让你跳跃一个数量级。
　　每个人都可以产生十个大气压的压力只需用手指用力按压或靠在汽车泵上。一百个大气压也不难这就是用氩气焊接的气瓶中的压力。当水在密闭体积中结冰时，压力会达到一千个大气压。一万个大气压不仅仅是严重的压力：不是每一种钢材都能承受这么大的压力，而且容纳工作体积的墙壁的厚度比它自身的尺寸要大得多。然而，这样的压力对于一个普通的液压机和一个好的钢模来说已经足够强大了。
　　钢材和传统建筑材料无法承受进一步增加的压力。十万个大气压需要由超硬材料制成的特殊形状的铁砧，另外半个数量级可以使用多级铁砧挤出，珀西布里奇曼的发明因此获得了1946年的诺贝尔奖。这些是巨大的结构，在其深处甚至难以辨别工作体积，更难以测量其中的任何东西。外活塞由钢制成，而与样品接触的内活塞由碳化钨或其他超硬工业材料制成。布兰基曼获得的压力记录是40万大气压。
　　两级压力机的挤压装置。样品放置在图像中心的超硬材料小立方体之间
　　在20世纪上半叶，研究人员似乎认为，实现高压的下一步不会很快采取。但前方有突破。金刚石砧
　　为了达到尽可能高的压力，砧座必须由已知最硬的材料制成。显而易见的解决方案是钻石，它自19世纪以来就已在工业中使用，但并不可惜的是技术钻石不适合此目的。铁砧需要宝石级钻石，甚至需要以特殊方式切割。然而，别无选择。意识到与碳化钨相比，其他已知的超硬技术材料不会提供显着优势，科学家们最终将注意力转向金刚石，高压科学向前迈出了一大步。
　　金刚石砧高压池的设计优雅、简洁、令人惊叹。他们的方案重复了布兰基曼的单级砧：从天然样品中挑选或以特殊方式生长的两颗钻石晶体，切割成截锥形，平顶彼此相对。平面之间放置一个扁平密封环以防止内容物挤出，内部放置样品和填充物，将轴向压力转换为全方位压缩，如液压油。
　　带有金刚石砧的细胞图和细胞中心部分的照片。垫片铼箔密封垫片。红宝石微晶用作压力传感器
　　与传统的液压装置一样，密封件不得在压力下爆裂，填充物不得与内容物相互作用。后者是一个特别困难的条件：常见的工作流体，如液压油，在金刚石砧内凝固，分解成其他化合物或与样品反应，更常见的是两者同时发生。硅环在带有金刚石砧的电池中的作用是为最高压力而设计的，由铼金属箔扮演，液压油由惰性气体扮演：氦气、氖气或氩气。
　　借助金刚石砧，获得几百万大气压的压力并不难，但它们的优势还不止于此。钻石的一项宝贵特性是在包括X射线在内的许多电磁辐射范围内都具有透明度。光学的透明度使得将砧座置于显微镜下并实时观察例如氧气如何结晶和金属化成为可能。它还允许您用激光加热工作体积，并且由于金刚石的耐火度只会随着压力的增加而增加，因此可以将金刚石砧中的样品加热到5000C几乎是地球的温度太阳的核心和表面。X射线的透明度对于钢砧来说是不可想象的，它允许当场通过X射线衍射研究晶体结构。
　　此外，金刚石砧是紧凑的。工作面的尺寸通常为几十微米，施加的力在数百公斤力的量级。这项工作不需要液压机，砧座可以放置在同步辐射源下或放置在低温室内。一个真正美妙的设备，适合您的手掌，让您重现地球中心的温度和压力！
　　第一个制造的带有金刚石砧的电池和现代紧凑型电池（拆卸）
　　使用已知的最硬材料开辟了通往实验室可达到的压力极限的直接途径，但这个极限本身很难克服。对于单级金刚石砧来说，大约是400万个大气压。无论钻石晶体多么完美，随着负载的进一步增加，它都会破裂。但与此同时，这颗钻石并没有显示出任何过渡到更密集修饰的迹象，这最终可能会掩盖进一步记录的希望。即使缩小了百分之十，这颗钻石仍然是一颗钻石如果可以防止裂开，就可以挤出更多一点。两级金刚石砧第一次尝试
　　研究人员早就注意到，砧板上的钻石以及熟练的珠宝商手中的钻石只会沿着某些面（晶面）破裂。因此，他们决定从单晶转向相反的极端纳米晶金刚石。在其结构上，这种物质介于玻璃和真正的钻石之间。在纳米微晶的尺度上，它具有金刚石结构，这使其具有几乎金刚石的强度。在稍大的尺度上，微晶随机排列，防止裂纹扩展。新出现的破裂，传播，偶然发现一个方向不合适的区域，并在它变成真正的裂缝之前停止。
　　用于证明锇晶体结构在770万大气压下的稳定性的两级金刚石砧座。铼密封件以灰色显示。样品是纳米晶金刚石半球顶部的一个小红点。
　　但是整个砧座不能由纳米晶金刚石制成。在生活中，哪里薄，哪里破的原则也适用于材料。珠宝钻石是完美的它们根本没有集中应力的缺陷，结构中的每个原子都与所有其他原子平等地承受负荷一劳永逸。在大型纳米晶金刚石中，肯定会出现不幸的微晶组合，它们会首先屈服并摧毁整个金刚石。因此，用它制成的砧座是两级的普通的金刚石砧座压缩纳米晶金刚石的微观半球，顶部相互镶嵌。在足够小的半球中，相邻的微晶可能没有不幸的组合，并且它们保持不变。此外，半球周围体积中的静压降低了分裂应力，从四面八方支持他们。因此，获得了770万个大气压的压力是地球中心的两倍！
　　现在我们终于来到了本文所针对的主题。两级金刚石砧设计改进
　　当前工作的作者由拜罗伊特大学的列奥尼德杜布罗文斯基领导，多年来一直在开发两级金刚石砧。他们改进了设计并达到了900万个大气压的压力。这个值使地球中心的压力远远落后，与冰巨星天王星和海王星核心的压力相当。描述设计及其应用结果的原始文章在《自然》杂志的公共领域中。
　　创造新纪录的秘诀在于砧座第一级工作面的特殊形状。科学家们用一个沿边缘的卷来塑造它们，并在中心有一个平坦表面的突起，该突起高于该卷。之后，他们将纳米晶金刚石微球放置在每颗金刚石的中心突起上，并将所得砧座彼此相对放置，为样品铺设带有孔的铼箔。
　　两级单元第一级工作面的轮廓（左上），制造的砧座图像（中心安装微球的平台）和制造的两级金刚石的总体方案砧。所有尺寸均以微米为单位。
　　读者可能会注意到，这种形状不能通过切割来创建：它具有凹面和平滑的曲面。在创建砧座时，科学家们没有使用切割，而是利用聚焦离子束的铣削，这可以对任意坚硬和不屈服的材料进行最精细的加工。重离子对处理过的表面的冲击能量超过任何化学键的能量，很容易将原子从金刚石表面敲出。
　　当这种设计被压缩时，科学家们称之为环形两级金刚石砧单元，会发生以下情况。首先，外部环形突起使箔片变平，并密封砧座的总体积。然后箔中孔的边缘向内会聚并密封半球之间的小体积，同时对它们施加静压并减轻分裂应力。随着进一步挤压，带有样品的封闭体积会产生综合效应：到几百万个大气压，这构成了半球顶部与其侧面之间的差异，由于用铼箔挤压这些侧面而增加了另一个相当的压力。与传统的金刚石砧一样，样品被激光加热，
　　压力是根据铼晶格的压缩程度计算的，其参数是使用X射线衍射确定的，最大达到920万大气压。这是地球中心压力的两倍半！
　　在记录实验期间，带有金刚石砧的两级单元中的压力分布。沿X轴距电池中心的水平距离（以微米为单位），沿Y以千兆帕斯卡为单位的压力（1GPa10，000个大气压）。
　　创下这一纪录后，研究人员立即利用这一成果，研究了超高压下氮化铼的转变。根据以往的理论计算，在百万大气压的较低压力下，铼氮体系中存在化合物Re3N、Re2N、ReN2和ReN10，这在正常情况下是相当不可想象的。在730万个大气压下，添加了ReN，并且ReN10不稳定。结构与组成Re7N3，它的存在是通过理论计算预测的，最初非常不稳定，但在大约850万大气压以上的压力下稳定下来。对衍射图案的分析表明，正是它是在最强压缩下形成的，这证实了理论计算的正确性和创纪录的压力。
　　拜罗伊特大学的列奥尼德和娜塔莉亚杜博文斯基教授。背景是一台显示器，展示了在一个测试的两级金刚石砧台中，小面积金刚石的压力超过1000万个大气压。
　　最后，应该指出的是，文章的作者谨慎对待给定的数字。毫无疑问，之前的记录已经被打破，但在达到的范围内准确确定压力是一个单独的挑战。正如作者自己强调的那样，在超过几百万个大气压的压力下，材料的化学和物理变化会变得剧烈。这既是此类实验的主要兴趣，也是主要困难，这使得人们难以理解实验的结果。传统的金刚石砧使用红宝石微晶的荧光进行测量，其波长对压力的依赖性是众所周知的。但在两级砧中，红宝石荧光不再可靠，压力必须根据不太通用的标准来计算。通常，科学家首先计算细胞中存在的材料的晶体学参数对压力的依赖性，并将测量值与预测值进行比较。但这些计算是根据在较低压力下获得的数据进行的，因此存在明显的误差。
　　科学家们预测，将压力增加到数百万个大气压以上将导致形成以前未知的奇异晶体结构，并伴随着材料化学和物理的深刻变化。
　　然而，制造两级金刚石砧技术的出现让我们希望很快对物质在1太帕斯卡（一千万大气压）量级静压下的行为的研究将不再是非凡的事情，我们将有许多以前未知的结构和现象的发现。结语
　　是否有可能克服这个920万个大气压的限制？不是用钻石。在1000万个大气压下，所有物质的密度即使是不可压缩性冠军、金刚石和锇都显着增加。仅比已达到的压力高几倍的压力也会像液压机一样压碎它们的晶体结构纸牌屋。所有带有它的物质都会进入超高压变体，当它被移除时会立即分解。脉冲超压实验不依赖于材料的强度，但要在静态实验中超越金刚石的极限强度，砧座必须由常压下不存在的东西制成。
　　如何实施？让我们试着想象一下：将第二阶段的样品和毛坯放入普通金刚石砧的腔室中。创建第二阶段材料稳定的最小压力。要生长这种修改的晶体，请从它们组装第二阶段砧，将样品放入其中并且在之前的任何阶段都不会丢失所有这些都在封闭的工作体积内，没有释放压力！最后，将压力增加到所需的压力。
　　既然这看起来像是完全的幻想，也许第一次在一亿大气压静压下的实验会以完全不同的方式安排以一种我们仍然无法想象的方式。然而，在布里奇曼时代，他们对数百万个大气压的想法是一样的。