压强作为独立于温度、化学组分的一个热力学量,对物质的作用是任何其他条件所无法替代的。高压作用下,物质呈现出许多新现象、新性质和新规律。在100GPa压强条件下,每种物质平均出现5~8次相变,也就是说利用高压条件可以为人类提供超出现有材料5倍以上的新材料,极大地优化了人们改造客观世界的条件。高压对物质的作用主要表现为缩短原子间的平衡距离,增加物质的密度。在上百吉帕压强的作用下,难以压缩的材料,如金属、陶瓷等,密度可增50%;而易于压缩的物质,如固态气体,密度可提高1000%之多。
1.改变物理状态
对气体加压可使之变成液体,大多数液体在1~2GPa的压强下变为固体。对固体加压引起原子间距离的改变,导致原子密排、原子间相互作用增强以及原子排列方式的改变,从而引起多型性转变,即结构相变。压强作用下还会改变原子间键合性质,使原子位置、化学键取向、配位数等发生变化,从而物质发生晶体向非晶体、非晶体向晶体以及两种非晶相之间的转变。
2.压强可导致电子体系状态的变化
由于物质中原子间距的缩小,相邻原子的电子云发生重叠,相互作用增强并影响到能带结构,引起电子相变。一般来说,压强可使原子核外电子发生非局域化转变,成为传导电子,绝缘体因此转变成金属,这就是Wilson(威尔森)转变。在压强足够高时,所有物质都会表现出金属的特征。当压强继续升高时,原子所有内层电子都成为传导电子,物质内部不存在单原子,而是电子和原子核混合在一起的均匀系统。当压强极高时,如中子星内部,单个的电子不能存在,而是被压入原子核内,与质子结合形成中子,物质处于极高密度的状态。可见,对物质施加压力时,随着压强的提高,物质的状态一般按照气体、液体、固体、金属性固体、基本粒子的顺序向高密度方向转变。(www.daowen.com)
3.电-声子相互作用
晶体内部的原子晶格体系与电子体系之间存在相互作用。通过改变原子间距,高压可调节物质中电-声子相互作用的强度,从而影响物质的宏观物理性质,如超导电性等。同样,高压也可影响电子之间的关联作用。
4.高压合成新材料
在材料合成方面,高压有其特殊的优势,高压作用下,反应物颗粒之间的接触紧密,可降低反应温度,提高反应速率和产物的生成速率,缩短反应时间;某些亚稳态物质在高压下可稳定存在,并可淬火到常压,因此可利用高压来合成常压难以合成的物质。在高压下通过制造高氧压和低氧压环境,可获得异常氧化态的离子。此外,高压还具有抑制固体中原子的迁移,改变原子或离子的自旋态,使原子在晶体中具有优选位置等作用。
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