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更快更强更多——基于动态加载压缩技术的Grüneisen参数测量新方法

已有 1257 次阅读 2023-12-28 23:35 |个人分类:高压实验|系统分类:科普集锦

更快更强更多

——基于动态加载压缩技术的Grüneisen参数测量新方法

Grüneisen参数是凝聚态物质的重要参数,对于测定和研究物质的热力学性质、弹性和非谐振性具有重要的意义。在凝聚态物质的高温高压性质研究中,Grüneisen参数将弹性力学性质和热学性质联系起来,对于构建物质的物态方程和研究高压下热力学有关键作用。然而在加压实验中,因为加压速率缓慢,难以隔绝样品和周围环境的热交换,所以在高压条件下难以实现直接测量Grüneisen参数所需的等熵过程,导致数万大气压范围内Grüneisen参数的报道较多,但更宽压力范围内Grüneisen参数的直接测量实验仍为空白。实现解决这一问题对于研究物质在高压下的热效应以及状态方程具有非常重要的意义。

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1. (a) 测试装置示意图。(b)准等熵压缩过程中压力和温度随时间的演化。(c) 高压下氯化钠的Grüneisen参数。(d) 根据氯化钠Grüneisen参数实验值计算得到的Hugoniot线 Hugoniot曲线是冲击作用下材料的P-V状态曲线,能很好地反映冲击载荷作用下材料的动力学响应。)

近日,由南开大学、北京高压科学研究中心和中国科学院化学研究所联合组成的研究小组(通讯作者:苏磊、董校和杨国强),通过利用自主设计的动态加载钻石对顶砧(dynamic diamond anvil cell, dDAC)装置和超快原位测量系统,实现了毫秒内施加数百万大气压的加压速度,因时间过短,样品和环境中的热交换很小,可忽略,从而实现了对样品的准等熵压缩,并进而得到样品的Grüneisen参数。我们选择氯化钠B1相作为样品,测定了其快速加载过程中的热效应,实现了宽压力范围内氯化钠的Grüneisen参数测量,为进一步研究物质的热力学性质提供了新的实验手段和方法。相关成果以“Expanding the pressure frontier in Grüneisen parameter measurement: Study of sodium chloride”为题,发表于近期的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上,孔君、史开元、董兴邦为文章的共同第一作者。

研究团队发展的Grüneisen参数测量装置如图1a所示,通过动态加载钻石对顶砧装置(dDAC)对样品进行准等熵压缩,同步采集加压过程中的温度信号,通过该装置最快可以实现约60 GPa/ms的快速压力加载以及毫秒级的压力和温度测量(图1b)。该研究团队利用该装置对氯化钠样品进行测试实验,测量了准等熵压缩下不同压力范围内的温度变化,得到等熵压缩条件下的温度变化,最终得出宽压力范围内的氯化钠Grüneisen参数(图1c)。此外,Hugoniot线对于分析冲击加载过程中材料的动态压缩性质同样具有非常重要的意义。但作为Grüneisen参数的重要衍生数据,对所需Grüneisen参数的精确度要求很高。研究团队在得到的高精度Grüneisen参数实验值基础上,进一步计算了氯化钠材料的Hugoniot曲线,与之前文献报道的结果对比,验证了该方法对于测量高压下物质的Grüneisen参数的可靠性(图1d)。

该项工作揭示了快速加载过程中材料的热效应,展示出超快加压技术的独特魅力,实现对压机中的样品热力学参数的原位测量。该工作对于研究物质高压下的Grüneisen参数以及其他热力学性质提供了新的研究手段和视角,对进一步开展状态方程以及其他热力学研究具有非常重要的意义。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.266101

注:题目解释,更快是指动态压缩技术可以实现更快的加压速率,更强指的是压强,更多指的是可以测量更多的数据。参考Anderson先生的“More is different”和奥运标语“更高更快更强”。



https://m.sciencenet.cn/blog-382437-1415715.html

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2 张鹏 周钰

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