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洛克泰克談高壓：高壓科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)，比如金剛石對(duì)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)代需求，通過高溫高壓裝置，模擬深海高壓實(shí)驗(yàn)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(cè)方法與高溫高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)，將普通氮?dú)獬晒铣蔀槌吆懿牧暇酆系徒饘俚沂玖私饘俚铣傻臈l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?yàn)榕嘤@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(shí)5個(gè)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(jì)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(shì)，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(cè)、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(shí)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(gè)獨(dú)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(jí)多砧壓機(jī)、金剛石對(duì)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(shí)現(xiàn)較好的元素?fù)诫s，并調(diào)節(jié)材料性能等優(yōu)點(diǎn)。
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)。