最新Nature：“压力山大”下，金刚石还能保持“金刚不坏”吗？

背景介绍

碳是宇宙中第四大流行元素，且是所有已知生命必不可少的元素，并以元素形式存在于包括石墨、金刚石和富勒烯等多种同素异形体中。长期以来人们一直预测，在比地球核心更大的压力下，甚至可以存在更多的结构。人们预计其在多个太帕（Multi-TPa）中将存在好几个相，这对于富含碳的系外行星内部的准确建模很重要。
然而，Multi-TPa的压力远超过实验室中使用砧座在静态条件下所能达到的压力。尽管可以通过冲击压缩获得如此高的压力，但根据对衰减的冲击波中所表现出的熵变化的研究，这种高度熵的过程开始熔化高于0.6 TPa的金刚石。实际上，由于预计在各相之间存在巨大的焓垒，因此在实验室压缩实验中金刚石是否以及如何转变成预测相中的一个绝不是简单的问题。近来开发了一种称为斜波压缩的新动态高压技术，与通过样本的声波传播时间相比，样本的压缩时间更长，从而减少了耗散过程并保持样本的温度低于其损坏的状态。

研究表明：

1、通过使用斜坡形激光脉冲将固体碳压缩到2TPa（2000万个大气压，是地球核心压力的五倍以上），并同时测量纳秒持续时间的X射线衍射，固体碳保留的金刚石结构远远超出其预测的稳定性范围。
2、实现数据表明金刚石在0.8 TPa和2 TPa之间没有发生相变，这是有史以来最高压力的衍射测量结果。

3、这项工作几乎使在任何材料上实时记录X射线衍射的最高压力几乎翻倍，促进了高压物理的发展。

图文解析

           图1.  DFT预测的相界总结的碳相图，Hugoniot数据和预测的热力学路径

要点：1、基于TPa级压力下碳晶相的密度泛函理论（DFT）的理论计算表明，体心立方（BC8; Ia3）和简单立方（ SC1; Pm3m和SC4; P4332）相的焓值比FC8低约1 TPa以上，而BC8是第一个在1 TPa左右满足此条件的相。

2、0K时的仿真报告表明，预测的BC8相将不会在快速压缩下形成，且FC8相将持续存在，直到在3 TPa附近变得机械不稳定。然而在高温下，原子可自由地遵循替代的相变途径，且某些相的形成焓较低。

                              图2. 实验数据结果

要点：1、结果证实了以下预测：金刚石的四面体分子轨道键的强度在巨大压力下仍会持续，从而导致较大的能垒，阻碍了向更高稳定的高压同素异形体的转化，就像在大气压下动力学上阻碍了亚稳金刚石的石墨形成一样。

2、超过其预测相界直至1 TPa的亚稳FC8相的持久性为碳sp3键的非凡强度和稳定性提供了进一步的证据。

                           图3. 实验数据与理论预测对比

                          图4. FC8和BC8晶体结构

要点：1、作者使用X射线衍射直接探测了在超高压力状态下金刚石的晶体结构，发现在TPa压力状态下的几个相比已知的FC8结构更稳定。

2、作者在2 TPa处观察到的固体斜面压缩金刚石也为熔融曲线、强度和转化为热的塑性功的模型设定了界限。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-03140-4