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金刚石是碳的高压同素异形体，是自然界中已知的最坚硬的材料，具有广泛的工业和科学应用。金刚石卓越性能的关键是它的弹性，这与它超凡的硬度、剪切强度和不可压缩性有关。在高压条件下，金刚石的结构是通过马氏体过程构建的，其中sp3碳键沿着特定的剪切方向形成。相反，破坏sp3键合的过程(例如，从金刚石到石墨的转变)通常是间接的和动力学抑制的。sp3碳键的形成和排列是金刚石的特征，其共价性质决定了其弹性性质。尽管有许多理论工作，但弹性性质的直接测量仅限于~ 1.4千巴(kb)压力。
       近日，北京高压科学研究中心胡清扬等相关研究人员报告了在多面砧压机中从 1 个大气压到 12.1 吉帕 (GPa) 对无空隙金刚石粉末弹性的超声波干涉测量。我们得到金刚石的高精度体积模量 K= 439.2(9) GPa, K' = 3.6(1), 剪切模量 G= 533(3) GPa, G' = 2.3(3), 这与第一性原理模拟结果一致。与之前的等温状态方程实验相比，这项工作中获得的 K' 明显更大，表明“n-m”Mie-Grüneisen 模型并不能完全描述金刚石。在这项工作中测量的结构和弹性特性可以在广泛的压力范围内提供一个稳健的初级压力标度。
       相关研究成果以“Ultrasound elasticity of diamond at gigapascal pressures”为题，发表在PNAS上。

图 1. 无空隙金刚石样品的光学和扫描电子显微镜 (SEM) 图像。(A) 显微镜图像。在高分辨率扫描电镜图像下，小的黑色颗粒不是孔隙。(B) 显示表面颗粒的二次电子图像 (ESI)。(C) ESI 表面粒子的放大图。（D，插图）仅在样品边缘观察到约 1 μm 的表面孔隙。缩写：LED，发光二极管；WD，工作距离。

图 3. 金刚石作为主要压力标度。(左)由积分得到的绝对压力(Pabs)与由Wang-Chen-Qi声压标度得出的压力。插图为Pabs与带误差条的声压标度(P-Pabs)的差值。差异低于0.2 GPa。(右)金刚石拉曼频率与体积模量的关系。
超声波干涉测量的最新进展帮助我们将金刚石的高压弹性范围从千巴增加到千兆帕水平。我们的原位波速测量证实，金刚石的共价键在压力下得到加强。此外，关于压缩金刚石声速的信息将有利于对富含碳的系外行星的研究，如55 Cancri e ，这颗行星可能具有以金刚石为主的地幔壳。
       从DAC到多砧压机的烧结金刚石立方体，高压科学的进展在很大程度上依赖于金刚石的使用。金刚石拉曼边缘不仅是理想的压缩工具，也是DAC用户最受欢迎的压力表之一。然而，对于科学家来说，长期以来一直追求从静态压缩实验中开发出一种可以与动态压缩相比较的主要压力标度，并将其锚定在各种光学或x射线测量仪上。由于其前所未有的热稳定性和不可压缩性，一个小的、单个的金刚石晶体将成为这样的候选者。我们测量其超声波弹性的尝试将是实现这一目标的首次尝试。然而，需要更多的工作来了解如何在这种压力条件下获得弹性特性，以及金刚石的热弹性作为温度和压力组合的函数。
       研究意义
金刚石的非凡硬度使其成为用于压缩和机械加工的无与伦比的材料。出于同样的原因，压缩金刚石并测量其高压、弹性特性是一项非常具有挑战性的任务。结合超声干涉测量和多面砧压机，我们将金刚石弹性的研究前沿从千巴压力扩展到千兆帕压力，表明金刚石的可压缩性越来越强，与理论一致。研究结果还指出了金刚石在提供高达TPa区域的准确绝对压力标准方面的独特潜力，这将成为广泛的高压科学的基础。