神奇的金剛石壓砧腔

在ATT(美國電話電報公司)的實驗廠房里，有一臺大型水壓機。它可以產生每平方厘米100噸的壓力，相當于大洋最深處水壓的100倍。處在這種高壓下的固體物質，其原子晶格會產生形變，原子核軌道上的電子，也會產生異常的能態(tài)。物質的這種微變化會顯著改變它的物理性質：密度、顏色、延展性、導電率和磁場敏感性。

然而宇宙物質形成時，所承受的壓力強度遠大于這個壓強。換句話說，要模擬地球內部的高壓，需要比這個水壓機大得多的壓力設備。

美籍印度裔科學家賈亞拉曼是ATT實驗室中的一位研究人員。他的研究工作都涉及高壓下物質的特性。雖然壓力要求很高，但實現(xiàn)它的裝備卻沒有那臺水壓機那么大(3米高、好幾噸重)。然而就是這個小設備，卻產生了比那臺水壓機高10～15倍的壓強。目前記錄到的它的最大壓力為170萬個大氣壓，這相當于地表下面2900千米處的壓力。

這是一個什么樣的新裝置呢?

在這臺新裝置的中心，有兩顆純凈無瑕的寶石級金剛石，每顆重0．3-1克拉。金剛石的尖角磨成很小的平面相對安裝。它們被鑲嵌在極其精密的經過淬火的硬鋼模里。它們使壓力沿垂直于金剛石面的軸向傳遞。

給金剛石微小端面施加壓力的方式有5種以上。但原理都是利用杠桿原理，與用核桃鉗夾核桃的力臂放大的道理沒有多大差別。把需要研究的微小物體放在兩顆金剛石端面之間，僅僅憑借手的力量就能通過機械放大500-1000倍，然后傳遞到金剛石之間的樣品上。因為面積很小，就造成了極大的壓強。這種裝置有很多變型，但利用的原理是一樣的。在技術界，凡是利用兩顆金剛石的端面向樣品施加高壓的設備，統(tǒng)稱金剛石壓砧腔。

金剛石壓砧就像釘子用它的尖端來形成很高的壓強一樣。

就是這種從原理到結構都不復雜的機械裝置，人類為把它搞出來卻整整花了20年。

自從火藥廣泛應用之后，人們發(fā)現(xiàn)用它造成的沖擊波可以在百萬分之幾秒內產生很高的動壓力，如發(fā)射炮彈，炸開山巖：但是要產生很高的靜壓力就很不容易；然而如果能獲得這種高靜壓力，則物質的微觀結構會發(fā)生許多變化，這些變化正是人們感興趣的。

于是，獲得高靜壓就成了關鍵。

產生高靜壓有一個附帶產生的麻煩問題，就是受壓物體不會處于真空之中，總要有一個容器來對它施壓，根據(jù)作用力和反作用力大小相等方向相反的原理，這個容器也同時受到極高的靜壓力，搞不好，它也要被壓碎。

所以使用容器，這有一個前提：就是樣品要均勻地受到各個方向相等的壓力，這就要把它放置到一個密封腔里，腔中充滿液體。這樣一個高壓腔容器的密封也是難題。

但是人類對高靜壓下物質結構的興趣，使他們無畏地接受了這個挑戰(zhàn)。最先搞這項研究的是美國哈佛大學的布里德曼。他幾乎單槍匹馬地研究這一問題達半個世紀，直到1961年他去世為止。他不僅研究了高靜壓下的各種元素和化合物，而且自己發(fā)明了工作所需的各種技術和裝置。他最先把兩顆金剛石引入壓砧，使它們的平行端面與壓力軸向垂直。他還通過試驗選定了極其堅硬的合金材料——碳化鎢來制造壓砧。為了保持高壓腔中的液體靜壓，布里德曼選擇了一種軟的固體物質——氯化銀來包圍樣品，它能讓壓力均勻地傳遞到樣品表面上。

早在1905年時，布里德曼還是一名研究生，他發(fā)現(xiàn)：兩個壓砧之間的高壓室可以用一種軟物質填料來密封。由于填料上的壓力總是大于高壓室內的壓力，所以不管腔內壓力多高，都有可能用填料做密封圈。

這些一點一滴的技術改進，使布里德曼獲得了10萬個大氣壓的靜壓力，他可以研究各種處在這種壓力下的物質微結構變化以及物質性質的改變。

之所以不能超越這一壓力極限，是受到碳化鎢壓砧的限制。為什么不用整塊金剛石作為壓砧材料呢?金剛石是科學上已知的最硬材料，它可以透光、透過X射線，讓研究者觀察壓力引起的變化，最重要的是：金剛石比碳化鎢硬。

1959年，美國國家標準局的幾位科學家開始嘗試把整塊金剛石做成高壓研究用的壓砧裝置。芝加哥大學的3位研究人員也做了這項工作。金剛石壓砧腔越來越完善。國家標準局終于把它作為高靜壓定量研究的精巧工具。

即便有了這套裝置，用它來測試樣品也是件挺復雜的事，往往要一名受過訓練的鐘表技工才能完成。他要使用顯微鏡，而且對他操作的精度要求極高。

高級鐘表工匠先在金屬板上鉆一個直徑200微米的孔，孔深100微米。他接著把孔對到兩顆金剛石磨面之間，孔必須嚴格同沖擊軸處在一條直線上?？字械臉悠纺艹惺芨邏?。孔周圍的金屬在加壓時會被擠離金剛石磨面，它起到密封填料的作用。

孔的位置對好后，把精心制作的直徑200微米的標本和一小塊用于標定壓力的紅寶石片放人孔內。最后，為了保持腔內靜壓均勻分布還要將一滴液體用極細的針管滴人孔中把孔充滿。要抓緊在液體蒸發(fā)之前(因為它太少，蒸發(fā)很快)，迅速用金剛石磨面把孔密封住。

紅寶石片的作用是非常重要的，沒有它，就無法準確測定高壓腔內壓力的實時數(shù)值。因為孔與高壓腔太小，壓力又高，安裝任何探頭都很困難。紅寶石受光激發(fā)時會發(fā)出強的深紅色熒光。光譜僅能把它分解成兩個熒光峰，其波長是已知的。當紅寶石上的壓力增高時，兩個熒光峰向較大波長方向偏移，偏移量相對于壓力數(shù)已被精確測定。在30萬個大氣壓內，偏移量與壓力成正比，超過這一數(shù)值，線性略有變化，但仍被估算出。所以測出光譜的偏移就測出了壓力。這一切都完全是自動的。

滴入高壓腔內的流體靜壓介質有好幾種。通常是4份甲醇與1份乙醇的混合物。但壓力大于10．4萬個大氣壓，液體會被壓固，起不到介質的作用。替換物是惰性氣體氙，它的凝固點為-112℃，用液態(tài)氮把氙冷卻，固態(tài)的氙仍然是一種優(yōu)良的流體靜壓介質。它的好處是不會在高壓下與樣品發(fā)生化學反應。它足以承受30萬個大氣壓，再高到70萬個大氣壓時，就要用到固態(tài)氦和固態(tài)氫。

高壓下的物質會呈現(xiàn)出一些人們始未料及的特性。一硫化釤是一種暗黑色的化合物半導體，但壓強達到7000個大氣壓時，它會像金子一樣發(fā)出閃閃黃光。繼而它的電阻率會大大下降接近于金屬。在顯微鏡下，透過金剛石壓砧腔觀察，隨著螺旋的壓緊和放松，一硫化釤樣品在金色和黑色之間一閃一閃。

固體物理學研究的方向之一是：一個固體的體積因高壓而縮小時，其原子結構和電子結構就會發(fā)生變化。這種變化會從根本上改變固體的物理特性。根據(jù)理論上的計算，科學家預測：在100萬甚至1億個大氣壓下的普通氣態(tài)物質(室溫常壓)，會變成金屬性質的固體，氫在200萬個大氣壓下成為金屬性質的固體，氦轉變的條件1．1億個大氣壓。金剛石壓砧腔將考驗這些理論和預言。

固態(tài)的氙是一種很好的電絕緣體。1979年科學家通過金剛石壓砧腔，檢測到在130萬個大氣壓下，氙的電阻率接近于金屬。而在60萬個大氣壓時，氙的絕緣性還相當穩(wěn)定。碘在常溫常壓下是一種紫色的晶體，絕緣良好。伊利諾依大學的科學家把碘置于20萬個大氣壓下，它的電阻極大地降低了。這種變化可以用原子核的電子能帶理論來解釋。

由于金剛石壓砧腔具有良好的透光性，科學家們可以用激光器照射樣品。激光器的作用多種多樣。它可以讓樣品折射它的單色光，通過分析光譜研究原子的密度和其他特征。它還能給樣品加熱，這樣就能模擬高溫高壓下物質的變化。地球和其他星球的內部往往是高溫高壓狀態(tài)，各種元素和化合物在那里發(fā)生反應，變成巖漿和各種有用的礦物質。模擬這一過程的條件將大有利于地質學和礦物學的研究和進展。

有人會問：金剛石壓砧腔的最大承受壓力是多少呢?

根據(jù)金剛石的相變，保守的估計，它可以毫不困難地承受1000萬個大氣壓。而在2300萬個大氣壓時，它的原子結構會改變，但不至于破壞。