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1、超高压条件1主要内容主要内容n高压科学的重要意义高压科学的重要意义n高压科学与技术的发展高压科学与技术的发展2高压科学的重要意义高压科学的重要意义1.高压科学的定义：高压科学的定义： 研究物质（尤其是凝聚态物质）在高压及超高压研究物质（尤其是凝聚态物质）在高压及超高压条件下的结构、状态、性质及其变化规律的科学。条件下的结构、状态、性质及其变化规律的科学。 由于高压的产生及高压下各种结构、状态及性质的由于高压的产生及高压下各种结构、状态及性质的检测需要发展相应特殊的、精巧的、专门的实验技术和检测需要发展相应特殊的、精巧的、专门的实验技术和方法，因此，它被规划为一门学科，称为方法，因此，它被规划为
2、一门学科，称为高压科学与技高压科学与技术术。3（1）压力的单位Pa (帕斯卡帕斯卡)是国际压力单位是国际压力单位 (1N/m2 )1MPa106 Pa，1GPa109 Pa bar (巴巴)是常用压力单位是常用压力单位 (=106dyn/cm2)atm (大气压大气压)称为标准大气压称为标准大气压=1.013105 Pa1bar105Pa0.9869atm 1bar1atm 10kbar=1GPa4（2）高压：12（15）kbar P 5 GPa（3）不同领域对“高压”的含义理解 传统生物学：100-102 bar 深海火山口细菌： 102-103 bar 分子生物学： 102-103 bar
3、 化学材料科学 物理学： 100-102 GPa102-103 bar （水热溶剂热）5（4）高压物理学： 研究凝聚态物质在高压这一极端条件下的力、热、光、电等物理性质及状态的变化规律的学科。（5）高压下，物理学与化学在很大程度上是密不可分的，物质的电子状态，能带结构的改变必然引起其化学性质的变化，而物质的高压相变本身就是复杂的物理-化学过程。62. 压力的效应 是指在压力的作用下，物质的结构和性质发生改变的现象。 在压力的作用下，物质的状态、晶格结构和电子结构发生变化，有些还会以新的高压相存在着，这些高压相可能具有新的优异性能。7例1. 压力P是与温度T同样重要的热力学参数n压力与温度、组分
4、是任何体系的三个独立物理参量，压力的作用是任何其它手段无法代替的n压力可改变物质内部的各种相互作用，改变物质的结构和性质n出现高密度态和新的高压相，在百万巴下每种物质平均出现5个相变n在高压下以新的基态存在，出现了异于周期表的新价态，产生奇异的化学反应n对于验证理论模型和发展新理论提供有效的手段物质物质科学科学PTX8例1. 高温高压（HPHT）技术是合成新材料的有效手段，表明高压科学研究成果具有重大的实际应用价值和技术价值。石墨石墨立方立方C-BNC-BN（1 1）有些物质，在高温高压下通过相变形成的新结构能以亚稳态长期保）有些物质，在高温高压下通过相变形成的新结构能以亚稳态长期保存在常温常
5、压（存在常温常压（RTPRTP）下，利用这一点可以获得新的人工合成材料；）下，利用这一点可以获得新的人工合成材料；（2 2）在化学反应过程中，压力能够有效的调制反应物与生成物的）在化学反应过程中，压力能够有效的调制反应物与生成物的GibbsGibbs自由能，从而改变化学反应的方向，获得所期望的产物；自由能，从而改变化学反应的方向，获得所期望的产物；MeNMeNC3N4C3N4、BCNBCNMe+1/2 NMe+1/2 N2 2MeNMeN高温高压高温高压金刚石金刚石六方六方h-BNh-BN9例3. 在高压作用下，物质会发生结构形态的改变；原为液态的物质会凝固结晶；原为晶态的物质可能发生晶体结构
6、或电子结构的变化，在很高压力下，半导体、绝缘体甚至一些分子固体都可能进入金属态。 金属氢的研究是这个方面一个典型的例子I I、对金属氢的研究热潮起源于对其超导特性的预言；、对金属氢的研究热潮起源于对其超导特性的预言；(1) (1) 超导转变温度的同位素效应的启示超导转变温度的同位素效应的启示 TcTc1/M1/M1/21/2(2) 1968(2) 1968年，年，CornellCornell大学的大学的AschcroftAschcroft教授的理论研究指出，金属氢可能是教授的理论研究指出，金属氢可能是一种室温超导体。一种室温超导体。(3) (3) 这一点也可以以电这一点也可以以电- -声子耦合
7、机制推断：声子的重量（晶格粒子的有声子耦合机制推断：声子的重量（晶格粒子的有效质量）越轻，越容易与电子发生相互作用及能量交换，即耦合增强，效质量）越轻，越容易与电子发生相互作用及能量交换，即耦合增强，从而提高超导转变温度。从而提高超导转变温度。10II II、金属氢：固态氢金属化的可能机制、金属氢：固态氢金属化的可能机制(1) (1) 能带重叠机制能带重叠机制 H H2 2晶体晶体分子分子受压受压 1s 1s * * 1s 1s 1s 1s * * 1s 1s 1s1s 1s1s 1s 1s * * 1s 1s 满带满带空带空带11(2) (2) 由分子晶体转变为原子晶体（类似于由分子晶体转变
8、为原子晶体（类似于PeierlsPeierls相变）相变）a a(a)(a)(b)(b)(b)(b)0 0 /a /a2 2 /a /a- - /a /a-2-2 /a /aE E(a)(a)0 0 /a /a2 2 /a /a- - /a /a-2-2 /a /aE EE Eg g分子晶体分子晶体原子晶体原子晶体以一维体系为例以一维体系为例12H H2 2分子在高压下的原子化分子在高压下的原子化.+.+- - -d dA A1 1A A2 2a a1 1a a2 2D.+.+- - -d dB B1 1B B2 2b b1 1b b2 2两个两个H H2 2分子在靠近的过程中，分子在靠近的过
9、程中，当当DdDd，电子，电子a a1 1,a,a2 2受受A A1 1，A A2 2质子的作用，形成分子；质子的作用，形成分子；随着随着D D逐渐减小，电子逐渐减小，电子a a1 1,a,a2 2受受B B1 1，B B2 2质子的作用组建增强；质子的作用组建增强；当当DdDd时，四个电子都受到四个质子的强烈作用，形成原子晶体，类似金时，四个电子都受到四个质子的强烈作用，形成原子晶体，类似金属的状态。属的状态。13对金属氢的研究主要围绕以下几个问题：对金属氢的研究主要围绕以下几个问题：1.金属化机制金属化机制2.在金属化过程中一系列特定点的确定在金属化过程中一系列特定点的确定3.结构结构4.
10、超导电性超导电性5.磁性磁性6.稳定性与可利用性稳定性与可利用性7.含含H H金属化合物的对应研究金属化合物的对应研究LiHLiH、MgHMgH2 2、NiNi2 2H H .143. 本学科的特点及内容n n特点：n n1. 边缘学科，与材料科学、地学、天体物理学、化学、生物等相结合。n n造成缺点：目前为止还没有一套规范、统一、完备的教材。n n2. 与技术的结合非常密切：与高能物理、同步辐射技术n n3. 理论与实验结合，思考与操作相结合，强调动手能力15内容：内容：1.高压实验技术：包括高压的产生与测定，高压高压实验技术：包括高压的产生与测定，高压下各种物化性质的仪器分析。下各种物化性
11、质的仪器分析。2.凝聚态物质的状态方程（凝聚态物质的状态方程（EOSEOS）：是指在一定）：是指在一定的客观条件下物质的能量或体积与其所处温度、的客观条件下物质的能量或体积与其所处温度、压力的关系。它表征了物质的基本热力学性质，压力的关系。它表征了物质的基本热力学性质，反映了组成物质的分子或原子相互作用的信息，反映了组成物质的分子或原子相互作用的信息，是高压物理物理关心的基本问题之一。是高压物理物理关心的基本问题之一。3.高压相变：其变化机制和微观过程是高压物理高压相变：其变化机制和微观过程是高压物理学研究的极为丰富的探索领域学研究的极为丰富的探索领域16 总之，利用总之，利用X X射线衍射（
12、射线衍射（XRDXRD）、中子衍射、）、中子衍射、核磁共振（核磁共振（NMRNMR）光谱、穆斯堡尔、拉曼散射、）光谱、穆斯堡尔、拉曼散射、布里渊散射、红外光谱（布里渊散射、红外光谱（IRIR）、荧光光谱以及超）、荧光光谱以及超声测量等测试手段，研究物质的力、热、电等性声测量等测试手段，研究物质的力、热、电等性质在高压下的变化及其规律。质在高压下的变化及其规律。171 1. . 高压技术发展的历史回顾高压技术发展的历史回顾19461946年，年，BridgmanBridgman获诺贝尔物理奖获诺贝尔物理奖对高压物理的突出贡献。对高压物理的突出贡献。19591959年，金刚石对顶砧（年，金刚石对顶
13、砧（DACDAC）时代。）时代。19651965年，年，Van Van ValkenburgValkenburg在在DACDAC中引入了钻孔的金属片中引入了钻孔的金属片19721972年，年，FormanForman，PiermariniPiermarini， BarnettBarnett，BlockBlock测试了高压下红宝测试了高压下红宝石荧光。石荧光。19731973年，年， PiermariniPiermarini，BarnettBarnett，BlockBlock将传压介质引入将传压介质引入DACDAC压腔。压腔。19771977年，年，BruasBruas首次将首次将DACDAC与
14、同步辐射与同步辐射XRDXRD结合起来。结合起来。19781978年，年，MaoMao和和BellBell设计了设计了Mao-BellMao-Bell型型DACDAC，引入了倒角，将压力，引入了倒角，将压力提高到提高到170GPa170GPa，将红宝石表压扩展到，将红宝石表压扩展到100GPa100GPa以上。以上。18Bridgman对高压物理的贡献对高压物理的贡献P.W.P.W. BridgmanBridgman (美美国国哈哈佛佛大大学学教教授授，1882-1961)因因为为在在高高压压物物理理领领域域的的开开拓拓性性贡贡献献获获得得1946年年诺诺贝贝尔尔物物理奖。理奖。u发发发发明明
15、明明和和和和发发发发展展展展了了了了高高高高压压压压设设设设备备备备与与与与技技技技术术术术，获获获获得得得得10GPa10GPa。u提提提提出出出出了了了了“ “大大大大质质质质量量量量支支支支撑撑撑撑” ”原原原原理理理理和和和和“ “多多多多级级级级加压加压加压加压” ”原理原理原理原理 u测测测测量量量量了了了了一一一一系系系系列列列列元元元元素素素素和和和和化化化化合合合合物物物物材材材材料料料料的的的的高高高高压压压压物物物物性性性性（压压压压缩缩缩缩率率率率、电电电电导导导导率率率率、热热热热导导导导率率率率、状态方程、粘性、抗张强度）状态方程、粘性、抗张强度）状态方程、粘性、抗
16、张强度）状态方程、粘性、抗张强度）19超高压物理研究的历史超高压物理研究的历史1941年，年，Bridgman开始高压金刚石的合成实验开始高压金刚石的合成实验 。Coes首首次次合合成成出出了了科科石石英英(Coesite)及及其其它它硅硅酸酸盐盐矿矿物物。柯柯石石英是英是SiO2的高密度相，即高压相。的高密度相，即高压相。1955年年，美美国国通通用用电电气气公公司司的的Bundy, Hall, Strong, Wentof等等人人，及及瑞瑞典典ASEA公公司司的的研研究究人人员员首首次次合合成成出出人人造造金金刚刚石石。Wentof合成了硬度仅次于金刚石的超硬材料立方氮化硼合成了硬度仅次于金刚石的超硬材料立方氮化硼(BN)。哈哈佛佛大大学学于于1933年年启启动动地地球球物物理理科科学学方方面面的的一一项项研研究究计计划划，1952年年Birch发表了发表了“地球内部的弹性和组成地球内部的弹性和组成”的论文。的论文。美美国国Carnegie地地球球物物理理实实验验室室创创立立于于1907年年，设设计计了了最最初初的的高高压压釜釜，奠奠定定了了水水热热合合成成法法的的基基础础，研研究
