纳米传感器可测量高压下材料上的应力

研究人员已经开发出新的纳米技术,可以对高压下材料上的更多应力和应变进行成像和测量。

  研究人员已经开发出新的纳米技术,可以对高压下材料上的更多应力和应变进行成像和测量。正如研究人员在《科学》杂志上所报道的那样,这项纳米技术很重要,因为“压力改变了物质的物理、化学和电子特性。”

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  论文合著者、爱荷华州立大学工程系杰出教授安森·马斯顿(Anson Marston)、万斯·科夫曼(Vance Coffman)教授和航空航天工程系教授瓦莱里·莱维塔斯(Valery Levitas)说,了解这些变化可能会导致将新材料或新的物质阶段用于各种技术和应用。

  莱维达斯的实验室专门从事高压科学的实验测试和计算建模,他说,新的传感技术还可以推进化学、力学、地质学和行星科学领域的高压研究。

  该技术的开发和演示在《科学》杂志刚刚发表的论文《使用纳米级量子传感器在高压下成像应力和磁性》中进行了描述。本文的主要作者是加州大学伯克利分校的物理学助理教授姚诺曼,爱荷华州立大学的航空工程学博士生Mehdi Kamrani也是其中的合著者。

  该论文描述了研究人员如何将一系列纳米级传感器(他们称为氮空位色心)安装在钻石上,以对微小的材料样本施加高压。通常,那些用两颗钻石之间挤压的材料进行的“钻石砧”实验使研究人员能够测量压力和体积变化。

  新测试系统使研究人员对六种不同的应力进行成像、测量和计算——这是一种更全面、更现实的测量高压对材料影响的方法。新的测试还允许研究人员测量材料磁性的变化。

  莱维塔斯说:“这一直是高压科学的关键问题之一。我们需要在钻石和样品上测量所有六个应力,但是很难在高压下测量所有这些应力。”

  莱维塔斯的实验室进行了独特的实验,将材料置于高压下,然后对其进行了扭转,从而使研究人员能够大大降低相变压力并寻找可能具有技术应用价值的新物质相。

  该实验室还为高压金刚石砧实验进行多尺度计算机建模,莱维达斯说,这是世界上唯一一个进行此类模拟的实验室。通过模拟,可以重建整个金刚石砧座中无法测量的所有六个应力场,并验证实验结果。莱维达斯计划在他的实验室中使用此传感器。

  研究人员在论文中写道,该传感器能够“实现高压科学中的两个互补目标:了解材料在压力下的强度和失效(例如脆性-韧性转变),以及发现和表征物质的奇异相(例如压力稳定的高温超导体)。

  该论文中描述的氮空位传感技术也已用于测量其他材料特性,例如电特性和热特性。研究人员写道:“现在可以直接扩展到高压环境中,从而为在这种极端条件下定量表征材料开辟广泛的实验范围。”

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