金剛石是碳的高壓同素異形體，是自然界中已知的最堅硬的材料，具有廣泛的工業(yè)和科學(xué)應(yīng)用。金剛石卓越性能的關(guān)鍵是它的彈性，這與它超凡的硬度、剪切強度和不可壓縮性有關(guān)。在高壓條件下，金剛石的結(jié)構(gòu)是通過馬氏體過程構(gòu)建的，其中sp3碳鍵沿著特定的剪切方向形成。相反，破壞sp3鍵合的過程(例如，從金剛石到石墨的轉(zhuǎn)變)通常是間接的和動力學(xué)抑制的。sp3碳鍵的形成和排列是金剛石的特征，其共價性質(zhì)決定了其彈性性質(zhì)。盡管有許多理論工作，但彈性性質(zhì)的直接測量僅限于~ 1.4千巴(kb)壓力。
       近日，北京高壓科學(xué)研究中心胡清揚等相關(guān)研究人員報告了在多面砧壓機中從 1 個大氣壓到 12.1 吉帕 (GPa) 對無空隙金剛石粉末彈性的超聲波干涉測量。我們得到金剛石的高精度體積模量 K= 439.2(9) GPa, K' = 3.6(1), 剪切模量 G= 533(3) GPa, G' = 2.3(3), 這與第一性原理模擬結(jié)果一致。與之前的等溫狀態(tài)方程實驗相比，這項工作中獲得的 K' 明顯更大，表明“n-m”Mie-Grüneisen 模型并不能完全描述金剛石。在這項工作中測量的結(jié)構(gòu)和彈性特性可以在廣泛的壓力范圍內(nèi)提供一個穩(wěn)健的初級壓力標(biāo)度。
       相關(guān)研究成果以“Ultrasound elasticity of diamond at gigapascal pressures”為題，發(fā)表在PNAS上。

圖 1. 無空隙金剛石樣品的光學(xué)和掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。(A) 顯微鏡圖像。在高分辨率掃描電鏡圖像下，小的黑色顆粒不是孔隙。(B) 顯示表面顆粒的二次電子圖像 (ESI)。(C) ESI 表面粒子的放大圖。（D，插圖）僅在樣品邊緣觀察到約 1 μm 的表面孔隙?？s寫：LED，發(fā)光二極管；WD，工作距離。

圖 3. 金剛石作為主要壓力標(biāo)度。(左)由積分得到的絕對壓力(Pabs)與由Wang-Chen-Qi聲壓標(biāo)度得出的壓力。插圖為Pabs與帶誤差條的聲壓標(biāo)度(P-Pabs)的差值。差異低于0.2 GPa。(右)金剛石拉曼頻率與體積模量的關(guān)系。
超聲波干涉測量的最新進展幫助我們將金剛石的高壓彈性范圍從千巴增加到千兆帕水平。我們的原位波速測量證實，金剛石的共價鍵在壓力下得到加強。此外，關(guān)于壓縮金剛石聲速的信息將有利于對富含碳的系外行星的研究，如55 Cancri e ，這顆行星可能具有以金剛石為主的地幔殼。
       從DAC到多砧壓機的燒結(jié)金剛石立方體，高壓科學(xué)的進展在很大程度上依賴于金剛石的使用。金剛石拉曼邊緣不僅是理想的壓縮工具，也是DAC用戶最受歡迎的壓力表之一。然而，對于科學(xué)家來說，長期以來一直追求從靜態(tài)壓縮實驗中開發(fā)出一種可以與動態(tài)壓縮相比較的主要壓力標(biāo)度，并將其錨定在各種光學(xué)或x射線測量儀上。由于其前所未有的熱穩(wěn)定性和不可壓縮性，一個小的、單個的金剛石晶體將成為這樣的候選者。我們測量其超聲波彈性的嘗試將是實現(xiàn)這一目標(biāo)的首次嘗試。然而，需要更多的工作來了解如何在這種壓力條件下獲得彈性特性，以及金剛石的熱彈性作為溫度和壓力組合的函數(shù)。
       研究意義
金剛石的非凡硬度使其成為用于壓縮和機械加工的無與倫比的材料。出于同樣的原因，壓縮金剛石并測量其高壓、彈性特性是一項非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。結(jié)合超聲干涉測量和多面砧壓機，我們將金剛石彈性的研究前沿從千巴壓力擴展到千兆帕壓力，表明金剛石的可壓縮性越來越強，與理論一致。研究結(jié)果還指出了金剛石在提供高達TPa區(qū)域的準(zhǔn)確絕對壓力標(biāo)準(zhǔn)方面的獨特潛力，這將成為廣泛的高壓科學(xué)的基礎(chǔ)。