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高压，会引起冷凝挥发物的剧烈变化和新的现象。这些挥发物，通常在从压力容器中回收后而无法保存。

在此，来自美国斯坦福大学的 Wendy L. Mao 和上海高压科学与技术前沿研究中心的 毛河光院士 & 曾桥石 等研究者，报道了一种将 挥发性物质加压 到 1型玻璃碳前驱体 的 纳米孔的过程 ，通过 加热 将 玻璃碳 转化为 纳米晶金刚石 ，并 合成 了 独立的纳米结构金刚石胶囊 (NDCs)，即使释放到环境条件下用于各种真空诊断探针(包括电子显微镜)，也能够实现 高压下永久保存挥发物 。相关论文以题为“ Preservation of high-pressure volatiles in nanostructured diamond capsules ”于2022年08月17日发表在 Nature 上。

(资料图)

压力生成和原位表征技术的发展，为物理和材料勘探开辟了广阔的新领域，包括近室温超导、金属氢、黑磷结构氮等方面的最新突破。然而，这些挥发性材料及其新特性只能在压力下维持。虽然已经成功地开发了一些实验探针，通过厚壁的压力容器原位研究高压样品，如大容量压力机或金刚石对顶砧(DAC)；而一些最强大和通用的现代材料调查探针，如电子显微镜和真空紫外(UV)到软X射线能谱，都需要一个接近真空的环境，仍然与高压科学和技术不相容。

此外，这些高压容器只用于淬火和保留高压材料，而不是“压力”本身。最终的挑战是开发一种实验过程，在这种过程中，样品可以从高压容器中取出，但在环境到真空的条件下仍然保持其高压条件，用于研究和应用。

在这项工作中，研究者报告了实现这一目标的关键突破。

金刚石包裹体是高压(几吉帕斯卡或更高)挥发物的自然例子，如冰VII，可以保持其高压形式和与它们形成的地球深部条件相对应的压力，但包裹体通常埋在钻石的深处，真空技术无法触及。在实验室中，碳纳米管的薄、石墨烯样表皮已被证明具有强度，可以在数十吉帕斯卡的高压下限制非挥发性样品，可用于电子显微镜研究。

Banhart和Ajayan发现，在高压透射电子显微镜(TEM)下的高能电子辐照会导致“碳洋葱”粒子收缩，从而在碳粒子的核心产生相当大的压力。这项工作，激发了利用电子辐照在透射电镜中对包裹在纳米碳内的材料施加压力的研究。通过在纳米颗粒上沉积石墨层或将材料装入溶液中的纳米容器(负载率约为1%)，一些金属和矿物被包裹在碳纳米管或颗粒中用于原位高压透射电镜研究。这些研究调查了压力下样品的结构和组成，并在原子尺度上监测了它们的行为。

然而，即使在理想的实验条件下，将目标材料密封在碳纳米管内，并通过去除碳原子施加压力，在技术上也具有挑战性，对气体或液体样品都不可行。此外，这种操作一次只在一个纳米管上进行，对于需要合成相当数量的材料的应用是不切实际的。然而，这些先前的研究表明，由于强共价C-C键的存在，一些碳原子层可以维持高达40 GPa的压力(通过模拟估计)。

在这里，研究者策略是在 高压下 将 易挥发性材料装入 由 超强原子层组成的钻石胶囊 中，并 将其密封 ，并在 环境条件下回收钻石封装的样品 ，从而将 样品 作为 纳米晶钻石中的夹杂物保存 在 高压条件下 。与现有的高压技术不同，现有的高压技术只是简单地将样品装入高压容器中，当前工艺的成功必须涉及特定的挥发性样品和碳包层之间的相互作用，以及封装过程的精确压力-温度路径。

作为一个案例，研究者对保存在NDCs中的高压氩气样品进行了全面的研究。同步X射线衍射和高分辨率透射电子显微镜显示，纳米晶金刚石中嵌入了约22.0 GPa的纳米级氩晶体，能量色散X射线光谱提供了定量成分分析，电子能量损失光谱详细描述了高压氩气的化学键性质。通过控制NDC合成压力，可以调节NDC内氩样品的保存压力。为了测试NDC工艺的普遍适用性，研究者证明了高压氖也可以被捕获在NDC中，并且2型玻璃碳可以用作前驱体容器材料。未来对其他挥发物和碳同素异素体的进一步实验，为高压探索带来了与主流凝聚态研究和应用相同的可能性。

图1. NDC合成过程示意图

图2. 氩气在压力下向气相色谱扩散

图3. NDC样品的同步XRD和压力调谐

图4. 基于TEM技术的NDCs高压结晶氩晶粒的表征

综上所述，虽然在高压实验中观察到明显增强或奇异的电子、磁、光、热和声特性，但在释放压力后，这种行为往往是可逆的。NDCs提供了一种获得高压材料和性能的独特方法，通过保持高压条件，可用于环境应用。此外，NDC样品原则上是累积的，具有无限次、多次合成的潜力，从而消除了高压现象只存在于大型压力容器内的微小样品中的限制。因此，目前的研究向高压材料应用于以前不可淬相的重大挑战迈出了关键的第一步。

作者简介

毛河光，1963年获台湾大学地质学学士学位。1966年、1967年获美国罗切斯特大学硕士、博士学位。1993年当选美国国家科学院院士。1996年当选中国科学院外籍院士。北京高压科学研究中心研究员。美国卡耐基研究所地球物理实验室和高压研究中心研究员。

毛河光1989年获国际高压界最高奖——布里季曼奖。1976年与P.M.Bell合作改进的金刚石压腔(DAC)可达100GPa(1Mbar)，1978年又提高到173GPa，即相当于地球外核的压力。1986年与徐济安、P.M.Bell合作创造了550GPa的世界最高静压力的新纪录（已超过地心的压力）。除在高压技术（包括最高压力的获得和各种测量技术）领域居世界领先地位外，在超高压研究方面也取得了令人瞩目的成就：确定了MgO-FeO-SiO

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系统在下地幔的温度压力条件下矿物的相关性；观察到二价铁在高温下的歧化反应，以及铁、镁的强烈分异现象；开展氢的金属化研究并观察到新的重要现象等。

曾桥石，教授，博导。主要致力于发展和利用基于同步辐射X射线的原位探测技术(衍射、散射、光谱、成像)，在压力-温度-成分的三维参量空间中对材料的结构和物性进行大范围综合调控，发现新现象，促进对无序合金材料中的重要基础科学问题的理解。其中包括：无序合金的原子、电子结构、相变、结构和物性的关联和调控，以及新结构材料合成。美国材料学会（MRS）会员、美国矿物金属材料（TMS）学会会员、美国地球物理学会（AGU）会员、中国材料学会会员,欧洲材料学会（E-MRS）会员。长期担任《Physical Review Letters》, 《Nature Communications》,《Journal of the American Chemical Society》, 《Nano Letters》, 《Physical Review B》, 《Scientific Reports》, 《Journal of Applied Physics》, 《Materials & Design》, 《Journal of Alloys and Compounds》, 《Journal of Non-crystalline Solids》, 《Materials Science & Engineering A》, 《APL Materials》, 《Intermetallics》, 《Journal of Physics: Condensed Matter》，《Materials Research Express》，《RSC Advances》, 《Physica Status Solidi-Rapid Research Letters》，《Materials characterization》, 《Engineering》，《Nanoscale》, 《Chemical Physics Letters》, 《Chemical Engineering Journal》, 《Chemistry of Materials》, 《Applied Physics Letters》，《NPG Asia Materials》等二十几种国际权威学术期刊审稿人。

文献信息

Zeng, Z., Wen, J., Lou, H.et al.Preservation of high-pressure volatiles in nanostructured diamond capsules. Nature 608,513–517 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04955-z

关键词： 电子显微镜 吉帕斯卡