La preservación de los estados de alta presión de los materiales en condiciones ambientales es un objetivo buscado durante mucho tiempo para la investigación fundamental y las aplicaciones prácticas.

Un equipo de científicos dirigido por los Dres. Zhidan (Denise) Zeng, Qiaoshi Zeng y Ho-Kwang Mao del Centro de Investigación Avanzada de Ciencia y Tecnología de Alta Presión (HPSTAR) y la Prof. Wendy Mao de la Universidad de Stanford informan un avance innovador en el que pudieron mantener las extraordinarias propiedades de materiales de alta presión en cápsulas de diamante nanoestructuradas independientes sin el apoyo de los voluminosos recipientes a presión tradicionales. Su trabajo fue publicado recientemente en Nature .

La tecnología moderna se basa en el acceso a materiales con propiedades físicas y químicas adecuadas que se pueden utilizar para realizar funciones específicas en varios dispositivos. Los avances tecnológicos, por lo tanto, a menudo están dictados por el desarrollo de materiales superiores con propiedades deseables. La alta presión puede alterar o ajustar drásticamente las propiedades de todos los materiales, proporcionando así un terreno fértil para descubrir nuevos materiales con propiedades extremadamente favorables.

Sin embargo, la advertencia es que las propiedades favorables a menudo solo existen bajo presión cuando la muestra permanece en el voluminoso recipiente de alta presión, lo que limita la investigación científica y las posibles aplicaciones. Durante el siglo pasado, los científicos han tratado de superar esta dificultad. Solo tuvieron éxito en las fases "apagables", donde los nuevos materiales sintetizados a alta presión conservan sus propiedades favorables después de liberar la presión. Un ejemplo bien conocido es la conversión a alta presión de carbono ordinario en diamante, que puede mantener su brillo y otras propiedades excepcionales después de recuperarlo a presiones ordinarias.

Desafortunadamente, estos ejemplos exitosos de fases apagables son extremadamente raros, lo que en gran medida hace que los estudios de materiales de alta presión sean solo de interés académico con poco valor práctico en el entorno ambiental.

El grupo de investigación de HPSTAR y Stanford desarrolló un enfoque novedoso que ha demostrado la capacidad de extinguir incluso gases tenues y preservar sus propiedades a alta presión. Comprimieron carbono vítreo, una forma amorfa de carbono poroso, junto con gas argón a 50 gigapascales, unas 500.000 veces la presión atmosférica, y calentaron la muestra a 3.320 grados Fahrenheit.

El carbón vítreo que inicialmente es impermeable a los gases en condiciones ordinarias absorbe el argón como una esponja a altas presiones. La aplicación de condiciones de alta presión y temperatura convierte el carbono en diamante y atrapa el ahora sólido argón de alta presión en sus poros. La muestra resultante que se recupera en condiciones ambientales se comporta como un compuesto de diamante nanocristalino con numerosos poros aislados que representan como diminutas cápsulas de diamante llenas de argón.

La presión residual conservada en el argón por la cápsula de diamante es de hasta 22 gigapascales, unas 220 veces la presión en el fondo de la Fosa de las Marianas. Mejor aún, la muestra de argón presurizado está sellada por capas de diamante de solo un nanómetro de espesor, lo que permite que sus extraordinarias propiedades sean accesibles mediante sondas analíticas modernas que requieren entornos de vacío cercano, como la microscopía electrónica.

"Observamos directamente muchos granos de argón de alta presión de tamaño nanométrico encapsulados en la matriz de nanodiamantes mediante microscopía electrónica de transmisión de alta resolución; por lo tanto, los llamamos cápsulas de diamante nanoestructurado (NDC)", explicó la Dra. Denise Zhidan Zeng, líder autor de esta obra.

"Una de las claves para hacer realidad el concepto de las NDC es elegir el precursor de carbono adecuado, que es sp ² unido y tiene cámaras de muestra cerradas preexistentes. Obviamente, esto no se limita de ninguna manera al carbono vítreo. Por lo tanto, una variedad de alótropos de carbono cristalinos, amorfos y de baja dimensión también podrían usarse como precursores de carbono, ofreciendo una amplia gama de materiales de cápsula para la optimización del proceso NDC", explicó Zeng.

"El uso de múltiples sondas de diagnóstico complementarias para obtener resultados consistentes caracteriza la investigación moderna de la materia. Sin embargo, los estudios de alta presión in situ siempre han requerido sondas de alta penetración, como los rayos X duros, debido a las gruesas paredes de los recipientes de alta presión involucradas. Por lo tanto, , muchas sondas potentes y versátiles, como la microscopía electrónica y la espectroscopia de rayos ultravioleta de vacío a rayos X blandos, que requieren un entorno de vacío cercano, lamentablemente siguen siendo incompatibles con la ciencia y la tecnología de alta presión. -materiales a presión", dijo el Dr. Qiaoshi Zeng.

"Al sintetizar NDC, ofrecemos un método general para eliminar recipientes a presión voluminosos mientras mantenemos las condiciones de alta presión y, por lo tanto, el comportamiento de alta presión en nuestras muestras. Ahora podemos emplear casi todas las sondas de diagnóstico modernas para obtener información detallada de la atómica /Estructuras electrónicas, composiciones y naturaleza de unión de materiales a altas presiones dentro de NDC, incluidas varias técnicas basadas en microscopía electrónica de transmisión. investigaciones y aplicaciones de la materia".

"Más allá de los gases que exploramos en nuestro estudio, también esperamos que el concepto de NDC sea aplicable en general a varias muestras sólidas", dijo la profesora Wendy Mao.

"Además, las muestras de NDC son, en principio, acumulativas con el potencial de síntesis múltiples e ilimitadas, eliminando así la limitación en la que los fenómenos de alta presión solo existen en una pequeña muestra dentro de una gran cámara de presión. Por lo tanto, nuestro trabajo demuestra el primer paso crítico hacia el gran desafío de las aplicaciones de materiales de alta presión para fases que antes no se apagaban". + Explora más

Diamante amorfo sintetizado