科学家们创造了高压金刚石胶囊并在其中密封了结晶氩

纳米晶金刚石中高压相的密封使得可以从金刚石砧中提取它们并以以前无法访问的方式对其进行研究。同时，在胶囊内保持与合成所用的压力接近的压力。

纳米晶金刚石中夹杂物形式的高压相的保留和研究示意图

在达到并超过数十万个大气压的压力下，压缩能变得与物质和材料中化学键的能量相当，并且它们的性质发生了显着变化。石墨变成金刚石，气态氧变成金属，形成在正常条件下不可能组成的化合物。

这类化合物中最有趣的一类是超氢化物，它含有比传统化学允许的更多的氢。锂和镧在常压下形成氢化物 LiH 和 LaH 3 ，在数百万个大气压下形成 LiH 6和 LaH 10。

许多超氢化物充当超导体，甚至远远落后于常压下存在的最高温度超导体。后者最有希望的代表铜酸钇钡的转变温度为-180摄氏度。对于 LaH 10，它在 150 万个大气压下达到负 23 度，而超氢化物的研究才刚刚开始。其中，很有可能找到一种在室温下保持不变的超导体，而且几乎可以肯定它只会在高压下存在。

合成和研究高压相相对容易：金刚石砧产生高达数百万个大气压的压力并传输红外线和 X 射线辐射，可用于研究物质的结构。不幸的是，几乎所有这些相在从砧座中取出时都会分解。

由高压科学与技术高级研究中心 (HPSTAR) 的曾志丹博士和斯坦福大学的 Wendy Mao 教授领导的科学家提出了一种在金刚石砧外保持高压相的方法并进行了实验测试。

他们使用了玻璃碳，这是一种碳的变体，在正常条件下不渗透气体和液体，但在压力下开始通过它们。玻璃碳中的每个碳原子都与三个相邻的碳原子相连，就像石墨一样，但与后者不同的是，它的结构在大于原子尺度的尺度上是无序的。

玻碳样品。坩埚由这种材料制成，这种材料具有最高的耐腐蚀性，并且在没有氧气和氧化剂的情况下，耐温高达 3000 度。左下角石墨立方体的大小为 1 厘米。

如果将扁平的石墨状碎片连接成一个三维随机网络，它们之间不可避免地会有很多空白空间，这反映在玻璃碳的密度非常低（1.5 克每立方厘米，而石墨为 2.5 克）。

科学家们将氩气泵入预先放置有玻璃碳的金刚石砧中，然后将内容物压缩到 50 万个大气压并加热到 1800 摄氏度。首先，在压缩和加热过程中，氩气进入玻碳结构的空隙中，并像海绵一样均匀地填充它。压力和暴露温度的进一步增加重新排列了玻璃碳中化学键的结构，使其变成了密度更大的纳米晶金刚石。

纳米晶金刚石中结晶氩形成闭孔的方案

在这种情况下，氩气从转化的碳结构中被挤出并收集在封闭的孔隙中。随着温度的下降，碳原子之间的化学键失去了流动性，氩气被密封在钻石内部。

如测量结晶氩的残余压缩程度的 X 射线衍射所示，孔隙内保持着高达 22 万大气压的压力。同时，一些晶粒距离表面只有一纳米。这使得通过在金刚石砧内无法使用的方法（电子显微镜和光电子能谱）研究它们成为可能。

科学家们指出，孔隙中的最终压力可以通过改变进行合成的金刚石砧中的峰值压力来设定——在这种情况下，它略小于最大值的一半。

通过透射电子显微镜获得的具有近表面结晶氩包裹体的纳米晶金刚石图像。插图显示了具有明显结晶氩衍射峰的衍射图案。

需要注意的是，自然界中也会发生类似的过程。

钻石是在地幔中形成的，深度为数百公里，那里的压力和温度非常接近实验中使用的压力和温度。如果正在生长的钻石困住了周围的物质，那么即使在到达表面之后，其内部的高压也会保持不变。2018 年，首次在天然钻石中发现了含有冰-VII的内含物，仅在 22,000 个大气压以上稳定 - 以前认为在自然界中它仅存在于巨行星及其卫星的内部深处。

这个成就在哪里有用？迈斯纳效应，包括通过磁场推动超导体并用于例如磁悬浮，不需要制造实心线：超导体的孤立颗粒也显示了这一点。也许我们会在发现室内超导体后不久看到第一个超导“反磁体”和基于它们的产品。