神奇的金刚石压砧腔

在AT&T(美国电话电报公司)的实验厂房里，有一台大型水压机。它可以产生每平方厘米100吨的压力，相当于大洋最深处水压的100倍。处在这种高压下的固体物质，其原子晶格会产生形变，原子核轨道上的电子，也会产生异常的能态。物质的这种微变化会显著改变它的物理性质：密度、颜色、延展性、导电率和磁场敏感性。

　　然而宇宙物质形成时，所承受的压力强度远大于这个压强。换句话说，要模拟地球内部的高压，需要比这个水压机大得多的压力设备。

　　美籍印度裔科学家贾亚拉曼是AT&T实验室中的一位研究人员。他的研究工作都涉及高压下物质的特性。虽然压力要求很高，但实现它的装备却没有那台水压机那么大(3米高、好几吨重)。然而就是这个小设备，却产生了比那台水压机高10～15倍的压强。目前记录到的它的最大压力为170万个大气压，这相当于地表下面2900千米处的压力。

　　这是一个什么样的新装置呢?

　　在这台新装置的中心，有两颗纯净无瑕的宝石级金刚石，每颗重0．3-1克拉。金刚石的尖角磨成很小的平面相对安装。它们被镶嵌在极其精密的经过淬火的硬钢模里。它们使压力沿垂直于金刚石面的轴向传递。

　　给金刚石微小端面施加压力的方式有5种以上。但原理都是利用杠杆原理，与用核桃钳夹核桃的力臂放大的道理没有多大差别。把需要研究的微小物体放在两颗金刚石端面之间，仅仅凭借手的力量就能通过机械放大500-1000倍，然后传递到金刚石之间的样品上。因为面积很小，就造成了极大的压强。这种装置有很多变型，但利用的原理是一样的。在技术界，凡是利用两颗金刚石的端面向样品施加高压的设备，统称金刚石压砧腔。

　　金刚石压砧就像钉子用它的尖端来形成很高的压强一样。

　　就是这种从原理到结构都不复杂的机械装置，人类为把它搞出来却整整花了20年。

　　自从火药广泛应用之后，人们发现用它造成的冲击波可以在百万分之几秒内产生很高的动压力，如发射炮弹，炸开山岩：但是要产生很高的静压力就很不容易；然而如果能获得这种高静压力，则物质的微观结构会发生许多变化，这些变化正是人们感兴趣的。

　　于是，获得高静压就成了关键。

　　产生高静压有一个附带产生的麻烦问题，就是受压物体不会处于真空之中，总要有一个容器来对它施压，根据作用力和反作用力大小相等方向相反的原理，这个容器也同时受到极高的静压力，搞不好，它也要被压碎。

　　所以使用容器，这有一个前提：就是样品要均匀地受到各个方向相等的压力，这就要把它放置到一个密封腔里，腔中充满液体。这样一个高压腔容器的密封也是难题。

　　但是人类对高静压下物质结构的兴趣，使他们无畏地接受了这个挑战。最先搞这项研究的是美国哈佛大学的布里德曼。他几乎单枪匹马地研究这一问题达半个世纪，直到1961年他去世为止。他不仅研究了高静压下的各种元素和化合物，而且自己发明了工作所需的各种技术和装置。他最先把两颗金刚石引入压砧，使它们的平行端面与压力轴向垂直。他还通过试验选定了极其坚硬的合金材料——碳化钨来制造压砧。为了保持高压腔中的液体静压，布里德曼选择了一种软的固体物质——氯化银来包围样品，它能让压力均匀地传递到样品表面上。

　　早在1905年时，布里德曼还是一名研究生，他发现：两个压砧之间的高压室可以用一种软物质填料来密封。由于填料上的压力总是大于高压室内的压力，所以不管腔内压力多高，都有可能用填料做密封圈。

　　这些一点一滴的技术改进，使布里德曼获得了10万个大气压的静压力，他可以研究各种处在这种压力下的物质微结构变化以及物质性质的改变。

　　之所以不能超越这一压力极限，是受到碳化钨压砧的限制。为什么不用整块金刚石作为压砧材料呢?金刚石是科学上已知的最硬材料，它可以透光、透过X射线，让研究者观察压力引起的变化，最重要的是：金刚石比碳化钨硬。

　　1959年，美国国家标准局的几位科学家开始尝试把整块金刚石做成高压研究用的压砧装置。芝加哥大学的3位研究人员也做了这项工作。金刚石压砧腔越来越完善。国家标准局终于把它作为高静压定量研究的精巧工具。

　　即便有了这套装置，用它来测试样品也是件挺复杂的事，往往要一名受过训练的钟表技工才能完成。他要使用显微镜，而且对他操作的精度要求极高。

　　高级钟表工匠先在金属板上钻一个直径200微米的孔，孔深100微米。他接着把孔对到两颗金刚石磨面之间，孔必须严格同冲击轴处在一条直线上。孔中的样品能承受高压。孔周围的金属在加压时会被挤离金刚石磨面，它起到密封填料的作用。

　　孔的位置对好后，把精心制作的直径200微米的标本和一小块用于标定压力的红宝石片放人孔内。最后，为了保持腔内静压均匀分布还要将一滴液体用极细的针管滴人孔中把孔充满。要抓紧在液体蒸发之前(因为它太少，蒸发很快)，迅速用金刚石磨面把孔密封住。

　　红宝石片的作用是非常重要的，没有它，就无法准确测定高压腔内压力的实时数值。因为孔与高压腔太小，压力又高，安装任何探头都很困难。红宝石受光激发时会发出强的深红色荧光。光谱仅能把它分解成两个荧光峰，其波长是已知的。当红宝石上的压力增高时，两个荧光峰向较大波长方向偏移，偏移量相对于压力数已被精确测定。在30万个大气压内，偏移量与压力成正比，超过这一数值，线性略有变化，但仍被估算出。所以测出光谱的偏移就测出了压力。这一切都完全是自动的。

　　滴入高压腔内的流体静压介质有好几种。通常是4份甲醇与1份乙醇的混合物。但压力大于10．4万个大气压，液体会被压固，起不到介质的作用。替换物是惰性气体氙，它的凝固点为-112℃，用液态氮把氙冷却，固态的氙仍然是一种优良的流体静压介质。它的好处是不会在高压下与样品发生化学反应。它足以承受30万个大气压，再高到70万个大气压时，就要用到固态氦和固态氢。

　　高压下的物质会呈现出一些人们始未料及的特性。一硫化钐是一种暗黑色的化合物半导体，但压强达到7000个大气压时，它会像金子一样发出闪闪黄光。继而它的电阻率会大大下降接近于金属。在显微镜下，透过金刚石压砧腔观察，随着螺旋的压紧和放松，一硫化钐样品在金色和黑色之间一闪一闪。

　　固体物理学研究的方向之一是：一个固体的体积因高压而缩小时，其原子结构和电子结构就会发生变化。这种变化会从根本上改变固体的物理特性。根据理论上的计算，科学家预测：在100万甚至1亿个大气压下的普通气态物质(室温常压)，会变成金属性质的固体，氢在200万个大气压下成为金属性质的固体，氦转变的条件1．1亿个大气压。金刚石压砧腔将考验这些理论和预言。

　　固态的氙是一种很好的电绝缘体。1979年科学家通过金刚石压砧腔，检测到在130万个大气压下，氙的电阻率接近于金属。而在60万个大气压时，氙的绝缘性还相当稳定。碘在常温常压下是一种紫色的晶体，绝缘良好。伊利诺依大学的科学家把碘置于20万个大气压下，它的电阻极大地降低了。这种变化可以用原子核的电子能带理论来解释。

　　由于金刚石压砧腔具有良好的透光性，科学家们可以用激光器照射样品。激光器的作用多种多样。它可以让样品折射它的单色光，通过分析光谱研究原子的密度和其他特征。它还能给样品加热，这样就能模拟高温高压下物质的变化。地球和其他星球的内部往往是高温高压状态，各种元素和化合物在那里发生反应，变成岩浆和各种有用的矿物质。模拟这一过程的条件将大有利于地质学和矿物学的研究和进展。

　　有人会问：金刚石压砧腔的最大承受压力是多少呢?

　　根据金刚石的相变，保守的估计，它可以毫不困难地承受1000万个大气压。而在2300万个大气压时，它的原子结构会改变，但不至于破坏。