理論模型預(yù)測(cè)了，在極端壓力和溫度條件下，材料非常不尋常的結(jié)構(gòu)和特性。迄今為止，超高壓實(shí)驗(yàn)的技術(shù)復(fù)雜性和材料分析的原位方法的缺乏，都阻礙了它們?cè)?00 GPa以上的合成和研究。

       在此，來(lái)自德國(guó)拜羅伊特大學(xué)的Leonid Dubrovinsky和瑞典林雪平大學(xué)的Igor A. Abrikosov等研究者報(bào)道了一種方法，該方法開(kāi)發(fā)用于在激光加熱的TPa模式下進(jìn)行的靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)。相關(guān)論文以題為“Materials synthesis at terapascal static pressures”于2022年05月11日發(fā)表在Nature上。

       物質(zhì)的狀態(tài)，受到化學(xué)成分和外部參數(shù)(如壓力和溫度)的變化的強(qiáng)烈影響，從而使材料性能得以調(diào)整。由此產(chǎn)生的各種現(xiàn)象，與廣泛的科學(xué)學(xué)科和技術(shù)應(yīng)用有關(guān)，從對(duì)宇宙的基本理解到高級(jí)材料的定向設(shè)計(jì)。眾所周知，壓縮有助于金屬到絕緣體的過(guò)渡，超導(dǎo)性和新的物質(zhì)超態(tài)。

       近年來(lái)，金剛石壓腔實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，特別是雙級(jí)環(huán)面金剛石頂錘單元(dsDACs和tDACs)的發(fā)明，使材料合成和高、超高壓下結(jié)構(gòu)性能關(guān)系的研究取得了突破性進(jìn)展。最近的例子是發(fā)現(xiàn)了一種新的氮同素異形體bp-N，它解決了人們對(duì)氮族元素高壓行為的理解中的一個(gè)難題，以及大量新型過(guò)渡金屬氮化物和聚氮化物的合成，包括金屬無(wú)機(jī)框架，這是一類(lèi)新的化合物，在兆巴壓縮下具有開(kāi)放多孔結(jié)構(gòu)。

       由于研究者在產(chǎn)生數(shù)兆巴的壓力和在超高壓下單晶X射線衍射(XRD)方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)的協(xié)同作用，使得解決和細(xì)化固體的晶體結(jié)構(gòu)成為可能，這些固體可直接由激光加熱的傳統(tǒng)DACs中的元素在高達(dá)2兆巴的壓力下合成。由于高壓高溫合成，已經(jīng)成為一種成熟的材料發(fā)現(xiàn)技術(shù)，將調(diào)查擴(kuò)展到TPa區(qū)域一直是人們所期望的。

       為此，研究者報(bào)告了一種高壓高溫合成實(shí)驗(yàn)的方法，它將高壓結(jié)晶學(xué)的限制擴(kuò)展到TPA范圍。為了達(dá)到預(yù)期的壓力，研究者結(jié)合了環(huán)形和雙級(jí)頂砧設(shè)計(jì)。在激光加熱的dsDAC中，在Re-N體系中進(jìn)行了三次不同的實(shí)驗(yàn)，合成了錸氮合金和氮化錸Re7N3。研究者利用單晶XRD原位對(duì)其進(jìn)行了完整的結(jié)構(gòu)和化學(xué)表征。

       研究者用這種方法，在激光加熱的雙級(jí)金剛石頂砧單元中，實(shí)現(xiàn)了壓力約為600和900吉帕斯卡，獲得了錸氮合金，并合成了氮化錸Re7N3，正如理論分析表明，只有在極端壓縮下才穩(wěn)定。

圖3. Re7N3的生成焓

       數(shù)兆巴以上的壓力，長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為對(duì)材料的化學(xué)和物理有深遠(yuǎn)的影響，并導(dǎo)致具有奇異晶體結(jié)構(gòu)相的形成。在這項(xiàng)工作中，研究者已經(jīng)證明，在高達(dá)600 GPa的壓力下，在激光加熱的dsDAC中可以合成新的化合物，并且它們的結(jié)構(gòu)可以在原位被解析。通過(guò)將高壓合成和結(jié)構(gòu)研究的實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域擴(kuò)展到TPa范圍，該工作為新材料的發(fā)現(xiàn)和新物理現(xiàn)象的觀察鋪平了道路。

       文獻(xiàn)信息：

       Dubrovinsky, L., Khandarkhaeva, S., Fedotenko, T. et al. Materials synthesis at terapascal static pressures. Nature 605, 274–278 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04550-2