物質在高壓下常常會呈現增強的甚至奇異的電、磁、光、熱和聲等特性，但當加載的壓力釋放后，這種物質特性往往會隨之消失。因此，將高壓下的新奇結構、特異性能保留到常壓條件一直是一個人們夢寐以求、卻看起來難以實現的目標。

       近日，北京高壓科學研究中心的曾橋石研究員帶領的國際合作團隊，率先為實現該科學夢想邁出了重要一步——發明了一種通用的“金剛石納米壓艙”復合材料。從而不需要傳統高壓裝置的支撐，就可以實現物質高壓態的永久封存。該研究為實現高壓材料的廣泛實際應用提供了可能。相關成果發表于最新一期Nature期刊。

       論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04955-z

（該圖片來自北京高壓科學研究中心）

       近年來，高壓技術以及各種原位表征技術的進步為物理、化學、材料等科學的研究開辟了廣闊的探索空間，為科學突破提供了新的機遇。比如2019年，近室溫超導現象在高壓下被首次發現。然而這種近室溫超導特性只能存在于高壓條件下，使得這一迷人特性無法在常壓條件下直接獲得應用。而大部分材料的高壓結構和特性都如“高壓下的近室溫超導”特性一樣，往往無法脫離壓力而單獨保持。依賴傳統的大腔體多面頂壓機或金剛石對頂壓砧等高壓裝置厚實的壓腔束縛而存在的高壓態材料，往往是基礎科學研究的重要對象，卻遺憾無緣實際應用。

       “天然的金剛石，不是每一顆都‘純潔無瑕’。天然金剛石內包裹各種地球深部礦物的情況常有發生。這種有‘瑕疵’的金剛石被地質運動帶到地表后，其中被包裹的礦物有些被意外發現能保持其在地球深部時所處的高壓態。這一現象說明金剛石本身就可以直接作為壓力保持材料，而不需要其他額外裝置的支撐。” 該工作的第一作者，曾徵丹研究員說道。“受天然金剛石包裹體的啟發，我們覺得完全可以師法大自然，制備可調控的人造金剛石包裹體復合材料，在目標壓力下將物質封裝到金剛石中，并在常壓條件下回收金剛石復合材料，從而將樣品以金剛石中的包裹物的形式永久保存在高壓狀態下供基礎研究和實際應用。”

（該圖片來自Nature）

       他們選用富含納米孔洞的玻璃碳作為前驅材料，使用氬氣來驗證他們的設想：首先利用壓力驅使氬氣擴散進入玻璃碳的納米孔洞中。并且利用同步輻射X射線小角散射實驗證實了納米孔洞能被高壓氬有效地填充。然后，利用金剛石對頂壓砧對樣品加壓到目標壓力后（例如50萬大氣壓），通過激光對玻璃碳進行加熱到1800攝氏度，使玻璃碳轉化為金剛石。利用X射線衍射確認金剛石的形成后，再將樣品從加壓裝置中卸壓取出，保留到常壓條件。同步輻射X射線衍射，高分辨透射電鏡成像，選區電子衍射，以及基于電鏡的化學成分分析技術一致表明，氬的高壓態（處于22萬大氣壓下）很好地被封存在了由金剛石基體包圍的納米孔洞中，他們將這種包含高壓物質的金剛石復合材料命名為“金剛石納米壓艙”。為了檢驗“金剛石納米壓艙”的普適性，他們還以氖氣為目標材料，也成功地將高壓氖封裝在了“金剛石納米壓艙”中。

       “我們的策略是將樣品的高壓結構與高壓環境一起完全保留下來，合成的“金剛石納米壓艙由大量的單個納米高壓樣品腔組成，每個樣品腔可以看成是只有幾十納米厚度的金剛石包圍而成。因此，大多數具有較低穿透能力，要求在常壓甚至真空環境工作的現代材料研究探測手段，例如電子顯微鏡，真空紫外光譜、軟X射線光譜等，以前通常無法用于高壓態材料的原位研究，從此都將可以直接對高壓態材料進行原子、電子結構和成分及其空間分布的探測和深入研究。另外，“金剛石納米壓艙”復合材料不需要依賴傳統高壓裝置束縛即可獨立存在，對外部環境的要求和普通材料無異，因此掃除了阻礙高壓材料應用的一個長期障礙”曾橋石研究員解釋。

       “各種結晶的、非晶的、低維的碳同素異形體都是潛在的前驅體碳。豐富的碳前驅體選擇可以幫助我們根據需要進一步優化我們的金剛石納米壓艙材料制備。另外，我們在后面的研究中將會嘗試封裝各種固體材料，比如高壓超導體，高壓熱電、光電材料，只需要將碳與目標材料的納米顆粒以適當的比例混合，形成納米尺度的碳復合材料，然后在一定的壓力和溫度下將前驅體碳轉化為金剛石即可。這將開啟一個全新的研究領域?！盬endy Mao 教授補充到。

       本研究的合作團隊還包含了來自北京高壓科學研究中心的毛河光院士、楊文革研究員、樓鴻波副研究員、楊留響研究員、張鑫博士生、譚立潔博士、上海激光等離子體研究所程本源副研究員、美國阿貢國家實驗室的Jianguo Wen博士，Xiaobing Zuo博士。本項目是在國家重大研發計劃和自然科學基金委項目的資助下完成的。