الضغط معامل أساسي يغيّر خصائص المادة: فالأكسجين يصبح معدنًا، والهيدريدات تصبح موصلات فائقة. سندان الألماس (خلية ذات ألماسَين يضغطان العينة) يولّد مئات الغيغاباسكالات، لكن الضغط داخل الغرفة يتوزع بشكل غير متجانس. الطرائق الكلاسيكية، مثل تفلور الروبيلين أو الحيود، تعطي قيمة عند نقطة أو صورة متوسطة. هذا العمل يقع إلى جانب دراسات استُخدم فيها الماس النانوي بالفعل كحساسات للمجالات المغناطيسية ودرجة الحرارة داخل سندان الألماس، لكن هنا ولأول مرة تُبنى خريطة ضغط على كامل حجم الغرفة.
وُضع في غرفة سندان الألماس، بقطر سطح عمل يبلغ 260 ميكرومترًا، ماس نانوي بحجم 50 نانومترًا بمراكز نيتروجين-شاغر، إضافة إلى روبيلين للمعايرة وعينة من الحديد. كان الوسط الناقل للضغط كلوريد الصوديوم. استُخدم ترتيبان: في أحدهما وُضع الماس النانوي مباشرة على الألماس، وفي الآخر غُطّي بطبقة من الملح من الأعلى. عُرضت العينة لليزر أخضر (532 نانومترًا) وموجات ميكروية، مع تسجيل التفلور الأحمر بكاميرا CMOS. لكل نقطة في الغرفة حُصل على طيف رنين مغناطيسي مكتشف بصريًا، وطُوبق مع نماذج الضغط الهيدروستاتيكي أو أحادي المحور.
في ترتيب الطبقة الواحدة من الملح (حيث يلامس الماس النانوي الألماس)، كانت الأطياف غير متماثلة. أعطى نموذج الضغط أحادي المحور ضغطًا محوريًا قدره 22.1 غيغاباسكال وضغطًا عرضيًا قدره 12.5 غيغاباسكال، أي تباينًا مقداره 1.77. عبر الغرفة كلها، تراوح الضغط المحوري بين 14 و30 غيغاباسكال، والعرضي بين 10 و20 غيغاباسكال، بينما انخفضت نسبة الضغطين من 1.6–1.8 في المركز إلى 1.4 عند الأطراف. في ترتيب الطبقتين من الملح، كانت الأطياف متماثلة، وأعطى النموذج الهيدروستاتيكي ضغطًا بين 17 و20 غيغاباسكال، بما يتوافق مع معايرة الروبيلين (20.0 غيغاباسكال). بلغ التباين في هذه الحالة 1.2–1.5، وهو أقل بشكل ملحوظ.
يُظهر العمل أن الماس النانوي يمكن استخدامه كحساس ضغط موزّع بدقة ميكرونية داخل سندان الألماس. وعلى عكس الدراسات المجاورة، حيث استُخدم الماس النانوي أساسًا لقياس المجالات المغناطيسية أو درجة الحرارة، هنا حُصل لأول مرة على خريطة كاملة لعدم الهيدروستاتيكية في الغرفة عند 20 غيغاباسكال. لا تتطلب الطريقة بصريات معقدة، وهي متوافقة مع المجهر واسع المجال، مما يجعلها سريعة ومريحة للتجارب الروتينية.
يمكن توسيع التقنية لتشمل القياس المتزامن للضغط ودرجة الحرارة والمجال المغناطيسي في غرفة واحدة. من الممكن استخدام ماس نانوي بأحجام أو اتجاهات مختلفة لزيادة الدقة. في المستقبل، تنطبق الطريقة على دراسة التحولات الطورية والموصلية الفائقة تحت الضغط، حيث تكون التجانس الموضعي للضغط مهمًا.
ستكون الطريقة مفيدة في فيزياء الضغوط العالية، وعلوم المواد، والجيوفيزياء، حيث يلزم التحكم في ظروف ضغط العينة. كما قد تسرّع البحث عن موصلات فائقة جديدة، إذ تتيح فحص الهيدروستاتيكية في الغرفة بسرعة.
الخطوة التالية هي معايرة الطريقة عند ضغوط أعلى (حتى 100 غيغاباسكال) واختبار عملها مع أوساط أخرى ناقلة للضغط. كما ينبغي دراسة تأثير حجم الماس النانوي وتركيزه على دقة الخرائط.
في فيزياء الضغوط العالية، يبقى السؤال مفتوحًا حول كيفية تأثير عدم الهيدروستاتيكية على نتائج قياسات خصائص المواد. يقدّم هذا العمل أداة للتقييم الكمي لهذا عدم الهيدروستاتيكية، مما قد يساعد في تفسير تجارب الموصلية الفائقة والتحولات الطورية.
هذا القسم موجَّه إلى مؤلف العمل وزملائه. الأعمال المجاورة عثر عليها بحثٌ دلالي في أرشيفنا، لا بتطابق الكلمات. نحن لا نقيّم العمل: نعرض الحقل من حوله.
ماذا يفعل هذا العمل
يُظهر العمل استخدام الماس النانوي المزوّد بمراكز NV لرسم خريطة توزيع الضغط داخل خلية سندان الماس عند حوالي 20 جيجا باسكال. تتم مقارنة ترتيبين للوسط: أحدهما بطبقة واحدة من NaCl والآخر بطبقتين، حيث يبيّن النتائج أن الخيار الثاني يوفر ظروفًا أكثر هيدروستاتيكية. تم الحصول على خرائط ميكرومترية للضغط المحوري والعرضي، وكشفت عن تباين الخواص.
أين تكمن قوته
لأول مرة، تم الحصول على خريطة كاملة لعدم الهيدروستاتيكية داخل غرفة الضغط العالي بدقة ميكرومترية، باستخدام بصريات واسعة المجال وكاميرا CMOS، مما يجعل الطريقة سريعة ومناسبة للتجارب الروتينية.
إلى أين يمكن المضي
يستحق التجربة
لماذا قد يكون هذا مهمًا
يمكن أن تصبح هذه الطريقة أداة قياسية لمراقبة الظروف في تجارب الضغط العالي، خاصة في أبحاث الموصلية الفائقة والتحولات الطورية حيث يكون تجانس الضغط أمرًا بالغ الأهمية.
أعمال قريبة في أرشيفنا
الأرشيف خالٍ حول هذا العمل: أقرب تحليل عند 0.55 فقط، مقابل 0.64 المعتادة. يبدو أن الحفر بجواره كان نادرًا.
الماس النانوي بحجم 50 نانومترًا صغير جدًا لدرجة أن المليمتر المكعب الواحد يتسع لنحو 8 تريليونات حبة. عند ضغط 20 غيغاباسكال، تقل المسافة بين الذرات في الألماس بنحو 1.5%، لكن مركز النيتروجين-الشاغر يظل مستقرًا ويواصل التوهج.