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材料负压缩性研究或产生新型防护材料

作者:上海砧源材料科技有限责任公司 浏览: 发表时间:2022-03-22 00:00:00

  当挤压某个物体时,尤其当各个方向的压力均匀作用在这个物体上时,通常你都认为它会收缩变小。但是,某些物质在受到液体静压力(“液体静压”意为从各个方向对材料施加压力)作用时,会在一、两个方向上发生拉伸的情况。有趣的是,华沙波兰科学院理化研究所(IPC PAS)在研究最佳储氢材料期间意外发现:在压力增加的同时,某种受测检测材料突然出现明显的延伸现象。

       研究人员称,“通常情况下,当对具有负压缩性的材料施加较大液体静压力时,其体积的大幅度较小。在这种情况下,我们所指的体积的增大幅度不会高于一个百分点。但是,我们发现有一种具有极高负压缩性的材料,其在一个方向上的延伸甚至可达到10%。更为有趣的是,这种延伸会在压力接近3万大气压时会突然发生。”

       研究人员目前正在研究某些材料在受到相当于一个大气压至数百万大气压的液体静压力时的变化。如此高的压力通常在实验室通过金刚石压砧产生的,而且研究人员会在金刚石压砧之间放入一个微米级大小的样品。该样品能够保证密封性,以便使所施加的压力能够从各个方向上均匀地作用在受测材料上。同时,为了增加压力,研究人员通过螺旋法对压砧进行加压。在测试样品旁边安装的红水晶会起到测压表的作用。因为这种红水晶在受到不同压力作用时,其荧光模式会随之发生变化。

       材料样品的体积在受到压力增加时缩小,这与空间维度的减少有关。但是,仍存在一些非典型性晶体材料,这些材料的体积会在压缩过程中缩小,同时晶体会在一、两个方向上出现延伸的现象,这归因于这种材料本身的几何特性:在受到压力作用的情况下,单个晶体结构部件仅会在不同方向上在彼此之间进行不同程度的相对运动。

       该项研究的成果发表在《科技报告》杂志上,研究人员指出:“我们在实验室中采用激光分析晶体在受到加压作用后的内部分子振动形式,并且据此确定了材料的结构。但是我们很快便发现,对于我们所研究的氨硼烷钠(sodium amidoborane)而言,无法单纯通过几何结构解释其延伸现象。”。

       氨硼烷钠是一种相对容易获取的化合物,其化学式为Na(NH2BH3),它能够构成一种正交晶系结构的透明晶体。IPC PAS使用拉曼光谱学得出了有关此化合物的晶体研究结果,并随后对该结果进行了理论模型预测。结果证明,由于晶体内相邻分子间会突然产生新的氢键,所以氨硼烷钠的负压缩性会导致氮、氢、硼、氮之间化学键延伸。

       研究人员称:“所以,氨硼烷钠是我们已知的第一种以负压缩性为主要化学性质的材料。”,此外,他还强调,与那些在受到高压作用后晶体结构对称性发生变化的其他晶体材料不同,氨硼烷钠的晶体结构对称性不会发生剧烈变化。他补充道:“我们在台湾的国立同步辐射研究中心通过X射线衍射检测得到了初步结果,同时确认,这种材料会保持其原始的对称性。而正是因为无需进行重构,这种材料才会突然地出现线性尺度增加的现象。

       此研究结果让科学家首次了解了产生负压缩性的原因,同时也为人们研究具备相似特殊物理性质的新型材料打开了新的大门。但是,目前研究人员已经开始考虑如何应用这一结果。因为在指定压力下,氨硼烷钠材料的长度会出现突然明显、可逆的延长,所以可以对这种材料加以利用,如用于制造探测装置,探测3万大气压力左右的指定阈压力(在工业上,所有压力最高为三十万大气压力)。此外,氨硼烷钠还可以用来制造防弹衣,因为它能够像气囊在车辆受到飞射物撞击压力影响而发生形变时一样发挥保护作用。

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