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洛克泰克談高壓：高壓科學(xué)實驗技術(shù)與前沿應(yīng)用介紹
高壓,，也就是高于常壓的一切壓力,。在高壓條件下,，物質(zhì)被壓縮，內(nèi)部發(fā)生變化,，產(chǎn)生一系列新現(xiàn)象,、新物質(zhì)。高壓環(huán)境的模擬需要借助特種設(shè)備來實現(xiàn),，比如金剛石對頂砧,、大腔體壓機(jī)（多頂砧、活塞圓筒等）
（用于高壓科學(xué)研究的活塞圓筒壓機(jī),，壓力0-4.5GPa,，高溫0-1600℃）
在我們這個星球上，很多物質(zhì)與壓力密不可分,。目前,，高壓科學(xué)有哪些實驗技術(shù)和前沿應(yīng)用呢？一起來看看。
1,、地球科學(xué)研究
地球內(nèi)部的壓力和溫度都非常高,，通過高溫高壓物理裝置，研究地球深部的物質(zhì)組成和存在形式,，如新型礦物和巖石,，為礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)提供技術(shù)支持；揭示地殼,、地幔,、地核的相互作用和演化機(jī)制；研究行星的物質(zhì)結(jié)構(gòu),。
（地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖）
例如,，近些年很多高溫高壓（HPHT）油田區(qū)塊被勘探開發(fā)。6000米深的深海石油開采更是常態(tài)了,，傳統(tǒng)淺層油氣規(guī)律難以適應(yīng)新時代需求,，通過高溫高壓裝置，模擬深海高壓實驗條件,，研究深層-超深層高溫高壓油氣成藏規(guī)律,、關(guān)鍵技術(shù)，具有重要意義,。
2,、凝聚態(tài)物理、新材料研究
通過高溫高壓裝置,，研究條件下的物性：相變,，超導(dǎo)、超臨界等,。在高壓環(huán)境下,，分子之間距離變短，元素之間鍵能可調(diào),，使得化學(xué)反應(yīng)活化能降低,，反應(yīng)速率加快，可以得到很多無法在常壓下的合成物,。
2018年中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院采用超快探測方法與高溫高壓實驗技術(shù),，將普通氮氣成功合成為超高含能材料聚合氮和金屬氮，揭示了金屬氮合成的條件范圍,、轉(zhuǎn)變機(jī)制和光電特征等關(guān)鍵問題,。
3、超硬材料合成與人造金剛石
在生活中,，通過高溫高壓技術(shù)（HTHP）進(jìn)行超硬材料合成,，培育鉆石就是典型應(yīng)用,。因為培育鉆石的快速發(fā)展，原本高昂奢侈的鉆石變得平民大眾化,。
1963年,，中國“121課題組"在300噸的兩面頂壓機(jī)上用光譜純石墨粉和Ni-Cr合金粉作原料，成功合成了人造鉆石,，成為當(dāng)時5個掌握人造鉆石技術(shù)的國家之一。
在地球中,，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)是功能材料的重要結(jié)構(gòu)載體,，也是地球內(nèi)地幔物質(zhì)的主要結(jié)構(gòu)形態(tài)?？茖W(xué)家通過高壓技術(shù)創(chuàng)新,，探索類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)機(jī)理，設(shè)計并研制發(fā)現(xiàn)了多種含有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)基元的功能新材料,。
隨著科技發(fā)展,，傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體技術(shù)因性能有限而面臨巨大的挑戰(zhàn)。金剛石,，作為一種超寬帶隙半導(dǎo)體,，與傳統(tǒng)半導(dǎo)體相比因具有超高載流子遷移率、熱導(dǎo)率,、低熱膨脹系數(shù)和超高擊穿電壓等諸多優(yōu)勢,，成為下一代微電子和光子學(xué)的理想材料。
4,、生命科學(xué)與生物技術(shù)
通過高溫高壓裝置,，構(gòu)建超高壓條件，模擬深海生物和高山植物的適應(yīng)性和生存機(jī)理,，探索生命的起源,。通過高壓技術(shù)研究蛋白質(zhì)、細(xì)胞和生物分子的結(jié)構(gòu)功能,，探索生命科學(xué)的分子機(jī)理和生物化學(xué)反應(yīng),，如蛋白質(zhì)的折疊和變性。
例如,，馬里亞納海溝的深度超過11000米,，深處壓力相當(dāng)于有兩千頭成年大象踩在人后背上。深海生物為了適應(yīng)高壓環(huán)境,，其身體結(jié)構(gòu)以及組成細(xì)胞都產(chǎn)生了適應(yīng)性變化,。通過高壓技術(shù)模擬，有助于科學(xué)家更好地探索生命的起源,。
5,、熱電材料研究
熱電材料是直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的功能材料,，在深空探測、廢熱回收和精確溫控等技術(shù)領(lǐng)域有著的重要應(yīng)用,。通過高溫高壓技術(shù)可以實現(xiàn)熱電材料制備,。
溫度、成分與壓力是控制材料結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的3個獨立的熱力學(xué)參量,，與常規(guī)制備方式相比,，通過六面頂、二級多砧壓機(jī),、金剛石對頂砧等高壓裝置進(jìn)行合成熱電材料,，具有工藝簡單、反應(yīng)迅速,、可阻礙雜質(zhì)進(jìn)入,，實現(xiàn)較好的元素?fù)诫s，并調(diào)節(jié)材料性能等優(yōu)點,。
在高壓環(huán)境下,，材料顯微結(jié)構(gòu)更易細(xì)化，摻雜元素在基體材料中的摻雜量明顯提高,，還可以抑制燒結(jié)過程中的納米晶粒的粗化過程,，有利于降低板材熱導(dǎo)率。
結(jié)語：
高溫高壓（HTHP）技術(shù)在前沿科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用,，高壓科學(xué)涉及物理,、化學(xué)、材料等多學(xué)科交叉,，通過高溫高壓裝置研究物質(zhì)在高壓條件下的性質(zhì)與行為機(jī)理,，為前沿技術(shù)應(yīng)用拓展提供理論依據(jù)。