极高压条件下的首次材料合成与性质研究

诸平

Structures and properties of materials at extremely high pressures and temperatures are still largely "terra incognita." Prof. Leonid Dubrovinsky and his research partners use a laser-heated two-stage diamond anvil cell they constructed for the synthesis of materials in the terapascal range (1000 gigapascals). In situ single crystal X-ray diffraction is used for the simultaneous structural characterization of the materials. Credit: Timofey Fedotenko.

据德国拜罗伊特大学（Bayreuth University）2022年5月11日提供的消息，与天王星核心一样大的压力条件下，完成了第一次材料合成研究和特帕斯卡（terapascal简称TPa）范围内的研究（As much pressure as Uranus' core: The first materials synthesis research and study in the terapascal range）。

被誉为“科幻小说之父”的法国作家儒勒·凡尔纳(Jules Verne)甚至做梦也想不到:拜罗伊特大学的一个研究团队与国际合作伙伴一起，将高压和高温研究的边界推进到了宇宙维度。他们首次成功地在1 TPa以上的压缩压力下生成并同时分析了材料。例如，在天王星(Uranus)的中心，这种极高的压力普遍存在;它们的压力是地球中心的三倍多。在《自然》（Nature）杂志上，研究人员介绍了他们开发的用于新材料合成和结构分析的方法。详见Leonid Dubrovinsky, Saiana Khandarkhaeva, Timofey Fedotenko, Dominique Laniel, Maxim Bykov, Carlotta Giacobbe, Eleanor Lawrence Bright, Pavel Sedmak, Stella Chariton, Vitali Prakapenka, Alena V. Ponomareva, Ekaterina A. Smirnova, Maxim P. Belov, Ferenc Tasnádi, Nina Shulumba, Florian Trybel, Igor A. Abrikosov, Natalia Dubrovinskaia. Materials synthesis at terapascal static pressures. Nature, 2022, 605: 274–278. DOI: 10.1038/s41586-022-04550-2. Published: 11 May 2022. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04550-2

参与此项研究的除了德国拜罗伊特大学的研究人员之外，还有来自德国汉堡的电子同步加速器（Deutsches Elektronen-Synchrotron 简称DESY, Hamburg, Germany）、德国科隆大学（University of Cologne, Germany）、法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射中心（European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble, France）、美国芝加哥大学（The University of Chicago, Chicago, IL, USA）、俄罗斯莫斯科国立科技大学（National University of Science and Technology “MISIS”, Moscow, Russia）以及瑞典林雪平大学（Linköping University, Sweden）的研究人员。

在极高的压力和温度下，材料的结构和性能在很大程度上仍是“未知领域”。 上述图示是列昂尼德·杜布洛文斯基（Leonid Dubrovinsky）教授和他的研究伙伴使用了他们构建的激光加热的两级金刚石砧室（two-stage diamond anvil cell），用于合成特帕斯卡(TPa)范围内的材料。原位单晶X射线衍射用于该材料的同时结构表征。

理论模型预测材料（materials）在极端压力-温度条件下非常不寻常的结构和性质。但到目前为止，这些预测还不能在压缩压力超过200 GPa(gigapascals)的实验中得到验证。一方面，需要复杂的技术要求使材料样品暴露在这样的极端压力下；另一方面，缺乏同时进行结构分析的复杂方法。因此，发表在《自然》杂志上的实验为高压结晶学开辟了全新的领域：现在可以在实验室中创造和研究那些只有在浩瀚宇宙的极高压力下才存在的材料。

该论文的第一作者、德国拜罗伊特大学巴伐利亚地质研究所(Bavarian Geoinstitute简称BGI)教授列昂尼德·杜布洛文斯基解释说: “我们所开发的方法使我们第一次能够在TPa范围内合成新的材料结构，并在实验仍在进行时对其合成材料进行分析。通过这种方式，我们了解了以前未知的状态、晶体的性质和结构，可以大大加深我们对物质的理解。我们可以在探索类地行星（terrestrial planets）和合成创新技术（innovative technologies）中使用的功能材料方面获得有价值的见解。”

在他们的新研究中，研究人员展示了他们如何使用现在发现的方法在原位生成和可视化新的铼化合物。这种化合物是一种新型的氮化铼(Re₇N₃)和铼氮合金（rhenium-nitrogen alloy）。这些材料是在极压条件下，在激光加热的两级金刚石砧室（two-stage diamond anvil cell）中合成的。同步加速器单晶X射线衍射使完整的化学和结构表征成为可能。

该研究的主要作者、拜罗伊特大学晶体学实验室（Laboratory of Crystallography at the University of Bayreuth）教授、纳塔莉亚·杜布洛文斯卡亚博士（Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia）说: “两年半前，我们在拜罗伊特非常惊讶，因为我们能够生产出一种基于铼和氮的超硬金属导体（superhard metallic conductor），这种导体甚至可以承受极高的压力。如果我们将高压结晶学应用于未来的TPa范围，我们可能会在这个方向上有进一步的惊人发现。创造性材料研究的大门现在敞开着，它可以在极端压力下产生和可视化意想不到的结构。”

此项研究得到亚历山大·冯·洪堡基金会（Alexander von Humboldt Foundation）和德国研究基金会项目(Deutsche Forschungsgemeinschaft: DFG, project LA-4916/1-1；DFG projects DU 954-11/1, DU 393-9/2 and DU 393-13/2；DFG project BY112/2-1)、德国联邦教育和研究部（Federal Ministry of Education and Research, Germany: BMBF, grant no. 05K19WC1）以及瑞典政府的材料科学战略研究领域在林雪平大学的功能材料研究（Swedish Government Strategic Research Area in Materials Science on Functional Materials at Linköping University: Faculty Grant SFO-Mat-LiU no. 200900971）提供资金支持。化学键理论分析获得俄罗斯科学基金资助(Russian Science Foundation: project no. 18-12-00492)。也得到克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会（Knut and Alice Wallenberg Foundation: Wallenberg Scholar grant no. KAW-2018.0194）、瑞典电子科学研究中心（Swedish e-science Research Center简称SeRC）、瑞典研究理事会（Swedish Research Council: grant no. 2019-05600）、VINN卓越中心功能纳米材料(FunMat-2)项目{VINN Excellence Center Functional Nanoscale Materials (FunMat-2) grant 2016–05156}、瑞典战略研究基金会项目{ Swedish Foundation for Strategic Research (SSF) project no. EM16-0004}的支持。

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极硬但金属导电:研究人员开发具有高科技前景的新材料(Extremely hard yet metallically conductive: Researchers develop novel material with high-tech prospects)

Abstract

Theoretical modelling predicts very unusual structures and properties of materials at extreme pressure and temperature conditions^1,2. Hitherto, their synthesis and investigation above 200 gigapascals have been hindered both by the technical complexity of ultrahigh-pressure experiments and by the absence of relevant in situ methods of materials analysis. Here we report on a methodology developed to enable experiments at static compression in the terapascal regime with laser heating. We apply this method to realize pressures of about 600 and 900 gigapascals in a laser-heated double-stage diamond anvil cell³, producing a rhenium–nitrogen alloy and achieving the synthesis of rhenium nitride Re₇N₃—which, as our theoretical analysis shows, is only stable under extreme compression. Full chemical and structural characterization of the materials, realized using synchrotron single-crystal X-ray diffraction on microcrystals in situ, demonstrates the capabilities of the methodology to extend high-pressure crystallography to the terapascal regime.