แรงกดดันสูงทำให้คุณสมบัติของวัสดุเปลี่ยนไปอย่างมาก บางครั้งทำให้เกิดลักษณะทางกายภาพและทางเคมีพร้อมการใช้งานที่เป็นประโยชน์ ปัญหาคือคุณสมบัติที่พึงประสงค์เหล่านี้มักจะหายไปเมื่อวัสดุออกจากภาชนะขนาดใหญ่ที่ทำให้แรงดันสูงเช่นนี้เป็นไปได้ อย่างไรก็ตาม ปัจจุบัน นักวิจัยจากศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีความดันสูง (HPSTAR) ในประเทศจีน และมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด สหรัฐอเมริกา ประสบความสำเร็จในการรักษาคุณสมบัติของวัสดุความดันสูงภายนอกภาชนะดังกล่าว
โดยกักขังไว้ในโครงสร้างนาโนแบบตั้งอิสระแทน แคปซูลทำจากเพชร
ในการทำงาน ทีมงานที่นำโดยCharles Qaoshi ZengจากHPSTARได้ทดลองตัวอย่างคาร์บอนรูปแบบอสัณฐานและมีรูพรุนที่เรียกว่า glassy carbon ที่มีความดัน 50 กิกะปาสคาล (ประมาณ 500,000 เท่าของความดันบรรยากาศโลก) ในขณะที่ให้ความร้อนแก่มัน เกือบ 1,830 °C ต่อหน้าก๊าซอาร์กอน แม้ว่าในตอนแรกคาร์บอนคล้ายแก้วจะผ่านเข้าไปไม่ได้กับอาร์กอน แต่ก็ดูดซับได้เหมือนฟองน้ำที่แรงดันสูง ผลที่ได้คือคอมโพสิตเพชรผลึกนาโนที่กักเก็บอาร์กอนไว้ในรูพรุนแยกจำนวนมาก แม้ว่าจะถูกนำออกจากภาชนะความดันสูงที่ทำการทดลองแล้วก็ตาม
ด้วยการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอนแบบส่องผ่านความละเอียดสูง ทีมงานพบว่ารูขุมขนเหล่านี้ซึ่งเรียกว่าแคปซูลเพชรที่มีโครงสร้างระดับนาโน (NDCs) มี “เม็ด” ความดันสูงของอาร์กอน Denise Zhidan Zeng ผู้เขียนนำบทความในNature ที่อธิบายผลการวิจัย กล่าวว่า การค้นพบนี้มีความสำคัญเนื่องจากจนถึงขณะนี้ เป็นเรื่องยากที่จะระบุลักษณะของวัสดุที่มีความดันสูงในแหล่งกำเนิดโดยไม่ต้องใช้โพรบ เช่น รังสีเอกซ์แบบแข็งที่สามารถ เจาะผนังภาชนะรับแรงดันที่หนาและแข็งแรง “ NDCs ใหม่ช่วยให้เราสามารถกำจัดเครื่องมือขนาดใหญ่นี้ในขณะที่ยังคงรักษาสภาวะที่มีแรงดันสูงและดังนั้นคุณสมบัติแรงดันสูงของวัสดุที่กำลังศึกษาอยู่” เธอกล่าว
นักวิจัยเลือกใช้เพชรเพราะไม่เหมือนกับวัสดุส่วนใหญ่ คาร์บอนรูปแบบนี้ยังคงคุณสมบัติทางกลและออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่ธรรมดาไว้ได้เมื่อเกิดความกดดันรอบข้างหลังจากที่ก่อตัวขึ้นในระดับที่สูงขึ้น “เราได้รับแรงบันดาลใจจากการรวมเพชรทางธรณีวิทยาตามธรรมชาติ และพบว่าเพชรเพียงอย่างเดียวมีความแข็งแกร่งเพียงพอที่จะรักษาแรงกดดันสูงภายในการรวมเหล่านี้” Qaoshi Zeng อธิบาย “เราจึงตัดสินใจสร้างการรวมเพชรสังเคราะห์ ซึ่งวัสดุที่มีแรงดันสูงจะถูกรักษาด้วยแรงดันจำกัดสูงภายในซองเพชรที่บาง”
นักวิจัยพบว่า NDCs ของพวกเขาสามารถรักษาแรงดันได้ถึงสิบ GPa
แม้ว่าผนังของแคปซูลจะหนาเพียงสิบนาโนเมตรก็ตาม ความบางของผนังช่วยให้ทีมได้รับข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอม/อิเล็กทรอนิกส์ องค์ประกอบ และลักษณะพันธะของวัสดุที่อยู่ภายในโดยใช้โพรบวินิจฉัยที่ทันสมัย รวมถึงเทคนิคต่างๆ ที่ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) และซอฟต์เอ็กซ์เรย์สเปกโทรสโกปี เข้ากันไม่ได้กับภาชนะความดันสูง
เทคนิคความดันสูงแบบคงที่แบบดั้งเดิมยังจำกัดขนาดตัวอย่าง: ยิ่งความดันสูง ตัวอย่างยิ่งต้องมีขนาดเล็กลง อีกเทคนิคหนึ่งที่พัฒนาขึ้นเมื่อเร็วๆ นี้ใช้วิธีนี้โดยใช้การฉายรังสีอิเล็กตรอนพลังงานสูงเพื่อสร้างแรงกดบนอนุภาคของแข็งที่ห่อหุ้มภายในคาร์บอนที่มีโครงสร้างระดับนาโน เช่น ท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) แต่ Qaoshi Zeng ชี้ให้เห็นว่าเทคนิคนี้มีข้อจำกัดที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การปิดผนึกอนุภาคของวัสดุแข็งที่เป็นเป้าหมายภายใน CNTs ได้สำเร็จ จากนั้นจึงใช้แรงกดกับอนุภาคด้วยการแผ่รังสีนั้นเป็นสิ่งที่ท้าทายทางเทคนิคแม้ในสภาวะการทดลองที่เหมาะสม และไม่สามารถทำได้สำหรับตัวอย่างก๊าซหรือของเหลว “ในทางตรงกันข้าม ไม่มีข้อจำกัดดังกล่าวสำหรับ NDC ของเรา” QaoshiZeng กล่าวกับPhysics World
เขากล่าวเสริมว่าวัสดุจำนวนมากที่มีคุณสมบัติที่ต้องการถูกค้นพบที่ความดันสูง และวัสดุใหม่เหล่านี้จะน่าสนใจเป็นพิเศษหากสามารถรักษาคุณสมบัติเหล่านี้ไว้ภายใต้สภาวะแวดล้อม “งานของเราเป็นขั้นตอนสำคัญในการรักษาคุณสมบัติใหม่ๆ ที่เกิดขึ้นเฉพาะในวัสดุที่มีความดันสูง เช่น ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง” เขากล่าว
ขณะนี้นักวิจัยกำลังศึกษาวัสดุหลากหลายชนิดโดยใช้เทคนิคนี้โดยหวังว่าจะรักษาสภาวะความดันสูงเหล่านี้ไว้ใน NDC “เรากำลังมองหาการขยายการสังเคราะห์วัสดุแรงดันสูงของเราด้วย” Qaoshi Zeng เผย
แนะนำ : รีวิวซีรี่ย์เกาหลี | ลายสัก | รีวิวร้านอาหาร | โทรศัพท์มือถือ ราคาถูก | เรื่องย่อหนัง
