Les hautes pressions modifient considérablement les propriétés des matériaux, produisant parfois des caractéristiques physiques et chimiques avec des applications utiles. Le problème est que ces propriétés souhaitables disparaissent généralement une fois que les matériaux quittent les vaisseaux volumineux qui rendent possibles de telles pressions élevées. Aujourd'hui, cependant, des chercheurs du Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) en Chine et de l'Université de Stanford aux États-Unis ont réussi à maintenir les propriétés des matériaux à haute pression à l'extérieur de ces vaisseaux en les confinant plutôt dans des nanostructures autoportantes. capsules en diamant.
Dans les travaux, une équipe dirigée par Charles Qiaoshi Zeng des HPSTAR soumis un échantillon d'une forme amorphe et poreuse de carbone appelée carbone vitreux à une pression de 50 gigapascals (environ 500 000 fois la pression de l'atmosphère terrestre) tout en le chauffant à près de 1830 °C en présence de gaz argon. Bien que le carbone vitreux soit initialement imperméable à l'argon, il l'absorbe comme une éponge à haute pression. Le résultat est un composite de diamant nanocristallin qui retient l'argon dans de nombreux pores isolés même après son retrait du récipient à haute pression dans lequel l'expérience a été réalisée.
En utilisant la microscopie électronique à transmission à haute résolution, l'équipe a découvert que ces pores, qu'ils appellent des capsules de diamant nanostructurées (NDC), contiennent des « grains » d'argon à haute pression. Denise Zhidan Zeng, l'auteur principal d'un article dans Nature décrivant les résultats, affirme que cette découverte est importante car jusqu'à présent, il était difficile de caractériser les matériaux à haute pression in situ sans recourir à des sondes telles que les rayons X durs qui peuvent pénétrer les parois épaisses et solides des récipients sous pression. « Les nouveaux NDC nous permettent de nous débarrasser de cet appareil encombrant tout en maintenant les conditions de haute pression et donc les propriétés de haute pression des matériaux étudiés », précise-t-elle.
Inspiration diamant
Les chercheurs ont choisi d'utiliser le diamant car, contrairement à la plupart des matériaux, cette forme de carbone conserve ses extraordinaires propriétés mécaniques et optoélectroniques à des pressions ambiantes après sa formation à des pressions plus élevées. "Nous nous sommes inspirés des inclusions géologiques naturelles de diamants et avons découvert que le diamant seul est suffisamment solide pour maintenir des pressions élevées au sein de ces inclusions", explique Qiaoshi Zeng. "Nous avons donc décidé de fabriquer des inclusions de diamant synthétique dans lesquelles les matériaux à haute pression sont préservés avec une pression de confinement élevée dans une fine enveloppe de diamant."
Les chercheurs ont découvert que leurs NDC peuvent maintenir des pressions allant jusqu'à des dizaines de GPa même si les parois des capsules ne mesurent que quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur. La faible épaisseur des parois permet à l'équipe d'obtenir des informations détaillées sur les structures atomiques/électroniques, la composition et la nature des liaisons des matériaux à l'intérieur à l'aide de sondes de diagnostic modernes, y compris diverses techniques basées sur la microscopie électronique à transmission (TEM) et la spectroscopie à rayons X mous qui sont par ailleurs incompatibles avec les récipients à haute pression.
Échantillons de gaz et de liquide
Les techniques traditionnelles à haute pression statique limitent également la taille des échantillons : plus la pression est élevée, plus l'échantillon doit être petit. Une autre technique récemment développée contourne ce problème en utilisant une irradiation aux électrons à haute énergie pour introduire une pression sur des particules solides encapsulées dans du carbone nanostructuré tel que des nanotubes de carbone (NTC), mais Qiaoshi Zeng souligne que cette technique présente des restrictions importantes. En particulier, réussir à sceller une particule de matériau solide cible à l'intérieur des CNT, puis à y appliquer une pression avec un rayonnement est techniquement difficile, même dans des conditions expérimentales idéales, et n'est pas réalisable pour les échantillons de gaz ou de liquide. "En revanche, il n'y a pas de telle limitation pour nos NDC", déclare QiaoshiZeng Monde de la physique.
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De nombreux matériaux aux propriétés souhaitables ont été découverts à des pressions élevées, ajoute-t-il, et ces nouveaux matériaux seraient particulièrement attrayants s'il devenait possible de conserver ces propriétés dans des conditions ambiantes. « Notre travail est une étape importante vers le maintien de nouvelles propriétés qui n'apparaissent que dans les matériaux à haute pression, comme la supraconductivité à température ambiante », dit-il.
Les chercheurs étudient maintenant une variété de matériaux en utilisant la technique dans l'espoir de préserver ces états de haute pression dans les NDC. « Nous envisageons également de développer notre synthèse de matériaux haute pression », révèle Qiaoshi Zeng.
