Hohe Drücke verändern die Eigenschaften von Materialien dramatisch und erzeugen manchmal physikalische und chemische Eigenschaften mit nützlichen Anwendungen. Das Problem ist, dass diese wünschenswerten Eigenschaften normalerweise verschwinden, sobald die Materialien die sperrigen Behälter verlassen, die solch hohe Drücke ermöglichen. Jetzt ist es Forschern des Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) in China und der Stanford University in den USA jedoch gelungen, die Eigenschaften von Hochdruckmaterialien außerhalb solcher Behälter zu erhalten, indem sie sie stattdessen in freistehenden Nanostrukturen einschließen Kapseln aus Diamant.
Bei der Arbeit führte ein Team durch Charles Qiaoshi Zeng dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. HPSTAR setzten eine Probe einer amorphen und porösen Form von Kohlenstoff, bekannt als Glaskohlenstoff, einem Druck von 50 Gigapascal (ungefähr dem 500-fachen Druck der Erdatmosphäre) aus, während sie in Gegenwart von Argongas auf fast 000 °C erhitzt wurden. Der Glaskohlenstoff ist zwar zunächst undurchlässig für das Argon, saugt es aber bei hohen Drücken wie ein Schwamm auf. Das Ergebnis ist ein nanokristallines Diamantkomposit, das Argon in zahlreichen isolierten Poren zurückhält, selbst nachdem es aus dem Hochdruckbehälter entfernt wurde, in dem das Experiment durchgeführt wurde.
Unter Verwendung hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie fand das Team heraus, dass diese Poren, die sie nanostrukturierte Diamantkapseln (NDCs) nennen, Hochdruck-„Körner“ aus Argon enthalten. Denise Zhidan Zeng, die Hauptautorin eines Artikels in Natur beschreibt die Ergebnisse und sagt, dass dieser Befund wichtig ist, da es bisher schwierig war, Hochdruckmaterialien in-situ zu charakterisieren, ohne auf Sonden wie harte Röntgenstrahlen zurückzugreifen, die die dicken, starken Wände von Druckbehältern durchdringen können. „Die neuen NDCs ermöglichen es uns, auf diese sperrige Apparatur zu verzichten und gleichzeitig die Hochdruckbedingungen und damit die Hochdruckeigenschaften der untersuchten Materialien beizubehalten“, sagt sie.
Diamant-Inspiration
Die Forscher entschieden sich für Diamant, weil diese Form von Kohlenstoff im Gegensatz zu den meisten Materialien ihre außergewöhnlichen mechanischen und optoelektronischen Eigenschaften bei Umgebungsdrücken beibehält, nachdem sie sich bei höheren Drücken gebildet hat. „Wir haben uns von natürlichen geologischen Diamanteinschlüssen inspirieren lassen und festgestellt, dass Diamant allein stark genug ist, um hohen Druck in diesen Einschlüssen aufrechtzuerhalten“, erklärt Qiaoshi Zeng. „Wir haben uns daher entschieden, synthetische Diamanteinschlüsse herzustellen, bei denen Hochdruckmaterialien mit einem hohen Begrenzungsdruck innerhalb einer dünnen Diamanthülle konserviert werden.“
Die Forscher fanden heraus, dass ihre NDCs Drücke von bis zu zehn GPa aufrechterhalten können, obwohl die Wände der Kapseln nur wenige zehn Nanometer dick sind. Die Dünnwandigkeit ermöglicht es dem Team, detaillierte Informationen über die atomaren/elektronischen Strukturen, die Zusammensetzung und die Bindungsnatur der Materialien im Inneren mit modernen diagnostischen Sonden zu erhalten, darunter verschiedene Techniken, die auf der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und der weichen Röntgenspektroskopie basieren sind ansonsten mit Hochdruckbehältern nicht kompatibel.
Gas- und Flüssigkeitsproben
Herkömmliche, statische Hochdrucktechniken setzen auch den Probengrößen Grenzen: Je höher der Druck, desto kleiner muss die Probe sein. Eine andere kürzlich entwickelte Technik umgeht dies, indem hochenergetische Elektronenbestrahlung verwendet wird, um Druck auf feste Partikel auszuüben, die in nanostrukturiertem Kohlenstoff wie Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) eingekapselt sind, aber Qiaoshi Zeng weist darauf hin, dass diese Technik wichtige Einschränkungen hat. Insbesondere das erfolgreiche Einschließen eines Ziel-Feststoffpartikels in CNTs und das anschließende Aufbringen von Druck darauf mit Strahlung ist selbst unter idealen experimentellen Bedingungen technisch anspruchsvoll und für Gas- oder Flüssigkeitsproben nicht machbar. „Im Gegensatz dazu gibt es für unsere NDCs keine solche Einschränkung“, sagt QiaoshiZeng Physik-Welt.
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Viele Materialien mit wünschenswerten Eigenschaften seien bei hohen Drücken entdeckt worden, fügt er hinzu, und diese neuen Materialien wären besonders attraktiv, wenn es möglich wäre, diese Eigenschaften unter Umgebungsbedingungen beizubehalten. „Unsere Arbeit ist ein wichtiger Schritt zur Beibehaltung neuartiger Eigenschaften, die nur bei Hochdruckmaterialien auftreten, wie z. B. Supraleitung bei Raumtemperatur“, sagt er.
Die Forscher untersuchen nun eine Vielzahl von Materialien mit der Technik in der Hoffnung, diese Hochdruckzustände in NDCs zu erhalten. „Wir prüfen auch die Skalierung unserer Hochdruck-Materialsynthese“, verrät Qiaoshi Zeng.
