超高压下凝聚态物质的结构与性质

超高压下氢的物态和行为研究氢是宇宙中含量最多的元素，其物态和行为受环境条件的限制。

在常温常压下，氢元素呈现气态，但在极低温和高压条件下，氢元素却具有非常不同寻常的物态和行为。

随着科学技术的不断发展，研究超高压下氢的物态和行为也愈加深入，对于天文、地质等领域的研究都有着非常重要的作用。

氢分子在普通气态下不能达到一定的密度，从而无法形成电子对，并且氢分子之间的吸引力非常弱。

但是当氢分子压缩到极低温高压下，氢分子的行为变得非常不同寻常，分子间的电子开始强烈相互作用。

当氢分子压缩到极高的密度时，电子对开始出现，并形成了一种新的物质状态，即所谓的“金属氢”。

根据地球物理学家的估算，金属氢的形成压力大约为495GPa，而其他学者则认为应达到1000GPa以上。

科学家们对这种高压下氢的物态和行为进行了广泛的研究，并从中获得了很多重要发现。

他们研究金属氢的目的是为了更好地理解太阳、行星等宇宙物质的特性和行为。

同时，研究金属氢也有助于理解地下核反应堆和重氢反应堆等技术问题。

实验室里研究金属氢的难度极大，因为需要达到极高的压力。

实研究者采用的方法是将氢分子压缩到极端的高压条件下，从而在实验装置中形成金属氢。

然而，由于目前高压下装置的限制，研究者们只能够短暂地制造出这种物质，而无法长时间保持金属氢的稳定性。

这极大地限制了金属氢的研究与应用领域的深入发展。

除了金属氢之外，氢分子在超低温条件下还可以出现Bose-Einstein凝聚。

Bose-Einstein凝聚是量子物理中非常重要的概念，当一群粒子被冷却到足够低的温度时，它们就会集合成一个状态，从而形成所谓的Bose-Einstein凝聚体。

在超低温和超高压的条件下，氢分子也可以形成这种凝聚体，这种状态下，氢分子的行为非常奇特，它们不再像普通氢气一样在容器壁上来回碰撞，而是集中在一个位置，形成一种漩涡状的结构。

尽管研究超高压下氢的物态和行为具有极大的挑战性，但是这一领域的发现和创新将会深刻地影响我们对地质、宇宙学等领域的理解，这也将进一步推动技术革新和人类文明的进步。

对高分子凝聚态的几个基本物理问题探讨【摘要】高分子凝聚态是指由高分子链或聚合物组成的一种状态，在物质科学中具有重要的研究价值。

本文通过探讨高分子凝聚态的定义、特点、构型和受限、相变行为、动力学性质以及相互作用等几个基本物理问题，揭示了高分子凝聚态的重要性和复杂性。

通过对这些问题的深入剖析，揭示了高分子凝聚态在材料科学和生物医学等领域的广泛应用前景。

未来的研究方向包括对高分子凝聚态的性质和行为进行更加深入的探究，以及开发新的高分子凝聚态材料和技术。

本文为对高分子凝聚态的物理问题提出了一些新的思路和见解，为相关研究领域的发展提供了有益的参考。

【关键词】高分子凝聚态、物理问题、构型、相变行为、动力学性质、相互作用、研究背景、研究意义、未来研究方向1. 引言1.1 研究背景高分子凝聚态物理是一门研究高分子在固体或液态状态下的性质和行为的学科，对于揭示高分子物质的结构与性质之间的关系，以及高分子材料在应用中的表现具有重要意义。

随着高分子材料在诸如医学、材料、能源等领域的广泛应用，对高分子凝聚态的研究也变得愈发重要。

高分子凝聚态的特点是由高分子链构成的大分子聚集体，在高分子链的构型和受限对凝聚态物质的性质产生深远影响。

高分子凝聚态的相变行为也备受关注，包括液固相变、玻璃态形成等现象。

在高分子凝聚态中，动力学性质和相互作用也是研究的重点，这些性质直接影响着高分子材料在实际应用中的表现。

对于高分子凝聚态的基本物理问题进行深入探讨，不仅有助于提高高分子材料的设计、性能调控能力，还有助于拓展高分子在各个领域的应用范围。

在这样的背景下，对高分子凝聚态的研究具有十分重要的意义。

1.2 研究意义高分子凝聚态是一种重要的物质形态，具有许多独特的物理性质和特点。

对高分子凝聚态的研究不仅可以深化我们对物质的认识，还可以为新材料的设计和制备提供重要参考。

在实际应用中，高分子凝聚态的性质对材料的性能和应用有着至关重要的影响。

高分子凝聚态的研究意义主要体现在以下几个方面：高分子凝聚态的定义和特点对于我们理解大分子物质的结构和性质具有重要意义，有助于揭示高分子物质的奇特行为。

高压下的物质结构及其性质研究高压是一种强有力的手段，它可以让一些物质的性质发生改变。

在高压的条件下，物质结构的变化与其性质的变化密不可分。

因此，研究高压下物质的结构和性质，对于探索物质的本质和开发新材料具有重要的意义。

1. 高压对物质结构的影响高压的作用可以让物质的分子更加密集地堆积在一起，因此，高压下物质的原子间距会缩短，分子之间的力也会增加。

当高压达到一定范围时，物质的结构就会发生相变。

相变的过程也可以让物质的性质发生改变。

举一个例子，钻石就是一种只在高温高压下才能合成的材料。

在自然状态下，石墨和钻石的结构都是由碳原子组成的，但是它们的结构却截然不同。

石墨的碳原子间距较大，每个碳原子只与周围三个碳原子形成共价键，因此，石墨是层状结构的。

而钻石的碳原子间距较小，每个碳原子与周围四个碳原子形成共价键，因此，钻石是立方晶系的。

由于高压可以让石墨的结构转化为钻石，因此，钻石的硬度、密度、折射率等性质都比石墨更加优异。

2. 高压与新材料的开发利用高压对物质结构和性质的改变，可以制备出一些新的功能材料。

例如，高压下析出的纳米晶体，具有高比表面积、高活性、高强度等优异的性质，可以广泛用于光催化、储氢、储能等领域。

此外，高压还可以用于合成新型的配合物材料、无机杂化材料、多孔材料等，这些材料在催化、传感、气体分离等领域有着广泛的应用。

在材料科学领域，高压与材料设计的结合，也促进了新材料的研究与开发。

例如，高压下的碳纳米管、碳膜等均具有成长方向性、几何形状可控等优势，在生物医学、电子器件等领域应用广泛。

高压还可以开发出一些呈现畸变晶体结构的材料，如硫代硫酸铅（PbS2），铊氧化铊（Tl2O3）等，这些材料具有纵向和横向的电导率差异，制备成新型光电器件具有广泛应用前景。

因此，高压材料学领域是新材料研究的重要方向之一。

3. 高压下物质的应用高压在科研领域中被广泛运用，但是它也有着广泛的应用场景。

例如，在生产过程中，利用高压可以改变材料的物化性质，提高生产效率和产品质量。

高压下材料性质变化及其实验方法解析概述随着科技的不断发展，研究高压下材料性质变化的重要性也日益凸显。

高压下的物质行为与常压下存在较大的差异，这对于了解材料的基本性质、物理过程以及应用具有重要意义。

本文将探讨高压下材料性质变化的机理，并介绍一些常用的实验方法来解析和研究这种变化。

一、高压下材料性质变化的机理1. 压强对材料性质的影响高压下，材料的晶体结构和原子排列会发生变化，导致材料性质发生改变。

压强的增加使晶格更加紧密，原子间的距离缩小，从而增加材料的密度和内部能量。

这种压力的作用还可能改变材料的熔点、热膨胀系数、电导率等性质。

2. 相变的发生高压下，材料的相变行为也可能发生变化。

压力作用下，一些材料可能从一种晶态转变为另一种晶态（相变），甚至发生非晶态转变。

这种相变过程中，材料的物理、化学性质都可能发生明显的变化。

相变还可能引发一些特殊的现象，如超导、弛豫等。

3. 压力与材料的电性质关系压力对材料的电性质也有显著影响。

在高压下，一些材料的电阻率会发生明显变化。

具体来说，压力可能改变材料中电子的运动方式、电子排序以及电子结构，从而导致电阻率不断变化。

在科学研究和应用中，这种高压下的电性质变化被广泛运用于各种领域，如高温超导、能源储存等。

二、高压下材料性质变化的实验方法1. 钻石压砧法钻石压砧法是一种常用的高压实验方法，它利用钻石的高硬度和抗压性能，在高压下产生稳定的压力环境。

实验过程中，将需要研究的材料放置在两个钻石间，通过调节钢磁顶的位置来调节压力，并使用适当的测量手段来观察材料性质的变化。

2. 扩展石英管法扩展石英管法是另一种用于高压实验的常用方法，它利用石英具有较高的抗压性能，通过压缩石英环境来达到高压状态。

石英环境内嵌入待研究材料，当压力加载时，材料性质的变化可以通过观测扩展石英管的形变、声波传播等来进行分析。

3. 原位X射线衍射法原位X射线衍射法可以用来研究高压下材料的晶体结构变化。

采用该方法，可以对材料进行实时的结构观察和分析，以了解相变和晶体结构的演化过程。

国家973项⽬申请书超⾼压下凝聚态物质的新结构与新性质项⽬名称：超⾼压下凝聚态物质的新结构与新性质⾸席科学家：崔⽥吉林⼤学起⽌年限：2011.1⾄2015.8依托部门：教育部⼆、预期⽬标本项⽬的总体⽬标：在超⾼压下凝聚态物质的新结构与新性质前沿领域做出重要原创性的⼯作，获得⼀批国际⽔平的研究成果，形成我国有特⾊的⾼压科学研究体系，造就⼀⽀具有创新思维的中青年⾼压研究队伍，使中国⾼压研究的总体⽔平进⼊国际先进⾏列，进⼀步提升在国际⾼压界地位。

五年预期⽬标:为完成总体⽬标，集中进⾏以下⼏个⽅⾯的研究⼯作：1）超⾼压下凝聚体系的⾦属化与奇异性能，2）超⾼压下强关联体系中价电⼦的⾏为，3）超⾼压下纳⽶限域体系的结构演化，4）超⾼压下的化合物半导体的电输运与新效应，5）超⾼压下亚稳相的截获与材料的微结构及性能调控。

揭⽰超⾼压下纯氢以及富氢体系中分⼦的解离机制，探索可能产⽣⾦属氢的新途径，实现压制⾦属化；获得不同压⼒-温度-组分空间中，新型含3d、4d、5d关联体系的结构特征和奇异物性，揭⽰超⾼压关联体系材料磁、电和介电的物理机制和晶体及电⼦结构起源；总结在纳⽶尺度、空间受限条件下压致分⼦体系的键合规律；揭⽰⾼压下准⼀维纳⽶体系的结构演化以及⼒学、电学等性质随压⼒的变化规律；揭⽰化合物半导体的结构、电输运⾏为与其特殊功能性质之间的内在联系，诠释⾼压下电⼦驰豫、平均⾃由程、有效质量的新内涵以及各物理量之间的内在联系及其规律；在新型材料的超⾼压合成⽅⾯，由唯象研究上升到注重内在物理本质的探索，获取截获⾼压亚稳相的新⽅法及规律性认识。

合成出3d、4d、5d族3种以上Mott有序化和Stoner型磁电新材料、3-5种有代表性⾼致密化超细微结构的⾼性能块体材料。

预期的科学研究成果：拟在SCI收录的国内外著名学术刊物上发表论⽂300篇以上，撰写1－3部专著，申报⾼⽔平的奖励3－5项，申请发明专利15-25项。

同时培养⾼压领域的拔尖⼈才以及学术带头⼈，培养博⼠研究⽣50名、硕⼠研究⽣200名。

957 量子力学
《量子力学》 曾谨言，科学出版社，2000 年 7 月第三版（卷 I）； 《量子力学导论》 曾谨言，北京大学出版社，1998 年版； 《量子力学》（上、下册） 姚玉洁，吉林大学出版社，1988 年版。
复试科目：固体物理
7-27 招 收 跨 学 科 考
生,不加试。
①101 思想政治理论
34 ②201 英语一或 202 俄语
070205 凝聚态物理（学
③647 普通物理(力学、热学、
制 3 年）
电磁学) ④852 量子力学
01 低维凝聚态理论
02 超高压下凝聚态物质的新
结构与新性质
03 半导体薄膜物理与发光和新
080300 光学工程（学制
10 ①101 思想政治理论
3 年）
②201 英语一或 202 俄语或 203 日语
01 光电信息处理及系统
③301 数学一
02 光电技术与光学仪器
④857 大学物理
03 光电功能材料与器件
04 现代光谱技术及应用
05 光电功能软材料与测试
参考书目:
647 普通物理(力学热学电磁学)：
15 单分子动力学
16 单分子量子统计涨落
17 细胞网络动力学 18 非平衡统计物理：地貌和旋 流
复试科目：原子核物 理ຫໍສະໝຸດ 070202 粒子物理与原
6
子核物理（学制 3 年）
01 核结构 02 核数据的评价与测量 03 核技术应用
①101 思想政治理论 ②201 英语一 ③647 普通物理(力学、热学、 电磁学) ④853 原子物理
参考书目：
670 普通物理（力学、电磁学）
《电磁学》（上、下册）赵凯华，高等教育出版社，1986 年版； 《力学》（上、下册）郑永令、贾起民，复旦大学出版社，1989 年版；

4）超高压下II－VI族化合物的输运过程
高压下电子会经历局域化－非局域化的转变，也能从非关联到强关联。高压下原子电子间的各种相互作用交织在一起，产生众多新的现象和新的规律。高压下物质电输运性质的研究，能够揭示原子间以及原子内部不同轨道电子间的相互作用规律，是其它手段难以替代的，也是检验、完善和发展凝聚态电输运理论的重要方法。高压下与电输运相关的物理量作为物质高压下状态和性质的重要标度，也是研究高温高压下动态过程所必需的物理参数。
这些新型轻元素高压相化合物的设计、合成与物性研究，既有帮助人们从微观层次上认识该类功能材料，加深对材料结构与其性能之间关系更深刻的物理理解等方面的科学意义，又有潜在的应用背景。该领域的研究存在着许多机会与挑战，目前国际上的相关研究刚刚起步，可望取得一系列重要的原创性研究成果。
二、预期目标
总体目标：
争取在超高压下凝聚态物质研究领域做出若干重要原创性的工作，获得一批国际水平的研究成果，初步形成我国有特色的高压科学研究体系，造就一支具有创新思维的高压研究队伍，使中国高压研究的总体水平进入国际先进行列，在活跃的国际高压界占有一席之地。
当凝聚态体系变小到纳米尺度时，显示出与常规体系迥异的结构和物理效应，如量子尺寸效应、量子限域效应等，导致许多新概念的引入和新规律的发现，是凝聚态物理十分活跃的的前沿研究领域。
为了控制纳米体系独特的物理性质，控制尺寸和维度是关键，它们决定着体系的原子结构以及相应的电子状态。利用高压对结构、尺寸、维度的调制作用，能够从一崭新的角度研究纳米材料的结构演化与物理性质的变化。“零维纳米球”C60在高压下会聚合，键合成二聚物、一维链、二维层状、三维全方向等多种不同的聚合新结构，并显示出奇异的物理性质，比如，二维聚合的纯C60具有磁性。高压下纳米材料的研究，不仅可以深入认识纳米材料的物理本质，还能够发现新奇的结构，为合成常规条件无法得到的新型功能材料提供了一个重要源泉。

凝聚态物理知识点凝聚态物理是物理学的一个重要分支，研究物质在固体和液体等凝聚态下的性质和行为。

本文将介绍一些凝聚态物理的基本知识点，帮助读者对这一领域有更深入的了解。

一、固体结构1. 晶体结构晶体是具有长程有序的固体结构，其原子或分子按照规律的排列方式进行堆积。

常见的晶体结构包括立方晶系、单斜晶系、正交晶系等。

不同的晶体结构决定了物质的性质和行为。

2. 结晶缺陷结晶缺陷是晶体中存在的非完美排列的原子或分子。

常见的结晶缺陷包括点缺陷（空位、杂质原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界）。

结晶缺陷对晶体的性质和行为起着重要的影响。

二、凝聚态物质的性质1. 热力学性质凝聚态物质的热力学性质描述了物质在不同温度、压力下的状态和相变行为。

包括物质的热容、热导率、热膨胀系数等。

热力学性质的研究对于理解物质的相变和热传导等过程具有重要意义。

2. 电子结构与导电性凝聚态物质中的电子结构是物质性质的关键因素。

金属、半导体和绝缘体是常见的导电性质分类，其差异在于能带结构和价带填充程度。

电子结构的研究对于理解物质的导电行为和电子器件的实际应用具有重要意义。

3. 磁性与自旋凝聚态物质中的自旋相互作用决定了物质的磁性。

包括顺磁性、反磁性以及铁磁性、抗磁性等。

磁性的研究对于材料科学和磁存储技术的发展具有重要意义。

4. 光学性质凝聚态物质对光的吸收、散射、折射和发射等光学性质具有重要影响。

包括透明性、色散性、偏振性等。

通过研究物质的光学性质可以了解其电磁响应行为和光传导等过程。

三、凝聚态物理的研究方法1. 实验方法凝聚态物理研究中常用的实验方法包括晶体生长、X射线衍射、电子显微镜、核磁共振等。

实验方法的发展推动了凝聚态物理的进步，为深入理解物质的性质和行为提供了重要手段。

2. 理论方法凝聚态物理的理论方法包括量子力学、固体物理学、统计物理学等。

通过理论方法可以推导出物质的性质和行为的数学模型，并与实验结果进行比较，从而提供对物质的深入理解。

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动态热机械分析
利用动态热机械分析仪测定聚合物在 交变应力作用下的动பைடு நூலகம்力学性能和阻 尼特性。
光学性能评估手段
透光率测试
通过透光率测试仪测定 聚合物的透光率，评估 其透明度和光学质量。
折射率测定
利用折射仪测定聚合物 的折射率，研究其光学
性质和光传播行为。
光泽度评估
通过光泽度计测定聚合 物的光泽度，评估其表 面光洁度和反射性能。
其他相互作用
如离子键、金属配位键等， 也可在特定高分子体系中 存在。
结晶、非晶与取向结构
结晶结构
高分子链在三维空间中有序排列形成 的结构，具有明确的晶胞和晶格参数。
非晶结构
取向结构
高分子链在一定方向上优先排列形成的结构 ，如纤维状和片状结构等。这种结构对高分 子材料的力学性能和光学性能等具有重要影 响。
纤维材料具有优良的力学性能、化学稳定性和耐磨性，部分 纤维还具有较好的耐热性和电绝缘性。
应用领域
纤维材料广泛应用于纺织、造纸、复合材料等领域，如聚酯 纤维(PET)用于制作衣物、床上用品等，碳纤维(CF)用于制作 高性能复合材料、体育器材等。
05 聚合物加工过程中结构与 性能关系
加工工艺对聚合物结构影响
多尺度研究方法的融合
将宏观、介观和微观尺度的研究方 法相结合，揭示高分子凝聚态结构 和性能关系的多尺度特征。
跨学科的交叉融合
高分子科学与物理学、化学、生物 学等学科的交叉融合将推动高分子 凝聚态结构及聚合物性能研究向更 深层次发展。
功能导向的高分子材料设计
根据特定应用场景的需求，设计具 有特定功能的高分子材料，如自修 复、形状记忆、智能响应等。

高压下材料结构和性质的研究在现代物理学和化学领域中，高压实验是一种广泛应用、发展迅速的前沿实验技术。

高压下是许多自然过程和材料性质变化的重要发生场所，因为高压时原子和分子之间的相互作用发生变化。

高压实验通过利用高压下材料的物性差异性，例如电性、光学性、热性等来研究其结构和性质，所以自然界中存在的很多难以研究的物质现象，都可以通过高压实验进行模拟探究。

高压下材料的变化高压实验中，自然界中具有的很多物质，在高压下都会发生新的性质和结构的变化，例如普通空气在3兆巴下会变成液体，纯水在超过1.5公兆巴时结构也会发生变化，而更高压下水的结构将更加复杂。

另外，一些平常人很难接触到的贵重材料，如金、银、钻石等，在高压下也会产生有趣的结构和性质变化。

例如在超过200兆巴时，金会从原来的金属形态变成半导体，钻石在20兆巴的压力下熔化，甚至能转变为石墨，银也在高压下变为半导体。

高压下材料的探究对于材料结构的探究，高压下的x射线衍射是一种非常重要的方法。

它可以每秒钟探测到数百个晶体，并且可以在几分钟内观察到材料结构的变化。

随着科技的发展，现在已经可以在高压状态下进行单晶衍射实验，探究单晶的结构变化。

此外，高温高压研究技术在现代化学、物理学领域中也有广泛的应用。

例如，在高压下实现化学键的转变，使化学反应发生，扩展了元素交互结构研究的范畴；通过高压下的合成，改变材料的物性，获得具有新的性质的新材料，如具有良好超导性能的铁基超导材料等。

总结高压实验能帮助科学家更深入地了解自然界中不同的原子和分子在高压状态下会发生哪些变化和反应，这种研究对工程和科学研究方面有着重要的意义。

未来，随着高压技术的不断发展，我们将能够探索更多世界的秘密，涉及到化学、物理学、材料科学等许多领域，创造出更多的发明和创新。

高压物质的性质与相变高压物质指的是在极端压力下表现出非常特殊性质的物质。

它们在普通大气压下可能表现得和其他物质无异，但当经受到极高压力的作用后，它们的行为和性质就开始呈现出与众不同的特点。

本文将讨论高压物质的性质和相变，揭示这些物质背后的奇妙之处。

一、高压引发的结构和性质变化当物质受到高压的作用时，其原子或分子之间的距离会变得更近，导致原子核之间的排斥力增加。

在这种情况下，物质中的原子或分子将产生更强的相互作用力，从而引发结构和性质的变化。

以晶体为例，普通情况下晶体的原子或离子排列有一定的规律，呈现出比较稳定的结构。

然而，当晶体所受的压力达到一定程度后，其结构会发生重塑。

一些晶体可能会变得更加紧密，形成更密实的晶格结构，而另一些晶体则可能出现亚稳态结构。

高压还可能影响物质的电学、磁学以及导电性等性质。

许多物质在高压下的电导率会发生显著的变化，部分物质甚至会表现出与室温下截然不同的电学性质。

此外，高压也会改变物质的磁性质，使得原本不带磁矩的物质产生磁矩，或改变已存在的磁矩的方向。

二、高压下的相变现象高压条件下物质的相变行为也非常引人注目。

通常情况下，固体在受到足够高的压力时，会转变为液体或气体。

这种相变被称为熔化相变和汽化相变。

然而，在高压下，相变现象会变得更为复杂。

对于某些物质，高压可能导致它们由液体直接转变为固体，跳过熔化的过程，这被称为“超熔相变”。

这种相变行为在很多有机化合物以及金属中都被观察到。

在某些情况下，高压下物质的相变行为变得极其不稳定。

例如，一些晶体在高压下会转变为金属液态，这就是所谓的“金属-非金属转变”。

这种相变行为常常伴随着电学、磁学性质的剧变，同时也引发了材料学和地球科学领域的广泛研究。

三、高压物质的应用前景高压物质的研究不仅仅具有理论意义，还有着广泛的实际应用前景。

首先，高压能够改变物质的化学性质，促使一些反应更快、更有效地进行。

通过对高压下化学反应的研究，我们能够探索新的反应途径和合成方法，为新材料的开发和生产提供更广阔的空间。

高压下物质的性质及其应用自然界中存在着许多物质需要高压下才能呈现出其独特的性质，在物理、化学、地学等领域应用广泛。

高压实验研究的范围包括矿物学、固态物理、地球物理学和材料科学等多个方面。

本文将从高压下物质的特性及其应用等方面进行论述。

一、高压下物质的物理性质高压实验通过对物质进行压缩、变形、加热等处理，探究物质的内部结构和物理性质。

高压下物质的体积和密度将发生明显的变化，物质的性质也随之改变。

随着压强的增大，原子之间的距离缩小，原子的内外电子分布也会发生变化，反映出诸如物质的能带结构等许多性质。

许多物质在高压下易发生物相变化，如金属硬度、强度、塑性和导电性等都会发生变化。

高压下材料的热力学属性也将发生变化，热容、比热和热导率等物理量都会随压力的升高而发生变化。

研究高压下物质物理性质对于了解高温高压环境下物质的行为有很重要的意义。

二、高压下物质的化学性质高压下，物质的化学反应性质也将发生改变。

常见物质在高压下出现了新的反应途径和反应产物，例如在高压下的氧化反应会发生以前所未见的O1化学物种产生。

高压下，许多还原性极强的金属氧化物通过电子调制的方式被还原成了新的化合物。

此外，高压下还可以促使晶格结构发生变化，在不同结构的相中，物质的化学性质也将发生显著变化。

三、高压下物质的应用高压技术在生产、科学研究、地球物理学、能源储存等领域都有广泛的应用。

下面列出一些重要应用：1. 新材料的研究高压实验是探究材料的高压相变、机械性能、热力学性质、电学性质、磁学性质等重要方法之一，这些信息将有助于新材料的开发和设计。

2. 地球科学地球物理学家通过研究矿物相变、详细地球物理学和实验室实验，促进了对地球内部结构的认识，包括研究地幔圈、地核和大气的科学问题。

3. 金属加工高压下，许多材料的硬度和强度将会得到提高。

同时高压可以在材料表面形成更加完整的晶界，使材料的塑性变强。

这对于生产高强度、高耐腐蚀的材料有很大帮助。

4. 能源储存高压下研究新材料的电学性质可以促进电池和电容器的研究和开发，利用强制压缩的方法将大量氢气压缩成原子级的液态金属氢作为新型能源贮存媒介也是一种观点。

DOI: 10.11858/gywlxb.20230791高压下Y-Si-H 体系晶体结构和超导性质的第一性原理研究马 浩，陈 玲，蒋其雯，安德成，段德芳（吉林大学物理学院, 超硬材料国家重点实验室, 物质模拟方法与软件教育部重点实验室, 吉林 长春　130012）摘要：采用第一性原理计算方法，研究了三元氢化物Y-Si-H 体系在高压下的晶体结构、电子性质及超导性质，发现了热力学稳定的YSiH 7、YSiH 9、YSi 2H 12和YSiH 18，以及热力学亚稳的YSi 2H 13、YSi 2H 14和Y 2SiH 17。

电子性质计算表明，YSiH 7为绝缘体，YSi 2H 13为半导体，其余氢化物均具有金属特性。

通过麦克米兰方程估算超导转变温度（T c ）发现，YSi 2H 12具有最高的T c ，在100 GPa 下为43.5 K 。

YSi 2H 14的动力学稳定压力可降至40 GPa ，T c 为23.8 K ，是Y-Si 二元化合物中最高T c 的2倍,说明在Y-Si 体系中引入H 原子可以有效地提高超导转变温度。

Y 2SiH 17在100 GPa 下的T c 为35.8 K 。

谱函数和电声耦合计算结果表明，在YSi 2H 14和Y 2SiH 17中除中频振动的H 原子诱导超导外，低频振动的Y 原子也起着重要作用。

关键词：高压；氢化物；第一性原理；结构预测；超导电性中图分类号：O521.2 文献标志码：A自1911年荷兰物理学家Onnes 首次发现汞的超导现象以来，寻找高温超导体一直是凝聚态物理领域的重要研究课题之一。

根据Bardeen-Cooper-Schrieffer （BCS ）理论[1]，超导转变温度T c 与德拜温度成正比，德拜温度与元素的质量成反比，所以轻质元素是潜在的高温超导材料。

氢元素作为元素周期表里最轻的元素，理论上最有可能实现高温超导，甚至是室温超导。

氢单质在常压下表现为绝缘体，于是Wigner 等[2]根据高压下晶体结构会发生相变这一性质，预言了在极高压力下氢会由非金属相转变为金属相，并且存在高T c 。

科学家在超高压下发现不同寻常的材料特性来自NUST MISIS(俄罗斯)，林雪平大学(瑞典)和拜罗伊特大学(德国)的国际科学家团队发现，与通常的物理和化学定律相反，某些材料的结构在超高压下不会凝结。

实际上，它形成了充满气体分子的多孔框架。

这是在一百万大气压的压力下，将Os，Hf和W的样品与N 一起放在金刚石砧中的结果。

该发现在Angewandte Chemie中进行了描述。

“如果非常用力，可以将铅笔芯变成钻石” –我们许多人在童年时代听到的这一事实听起来完全是胡说八道。

但是，科学定律清楚地表白，没有奇迹：铅笔芯和钻石都由相同的化学元素(即碳)形成，而碳在非常高的压力下实际上形成了不同的晶体结构。

但这是有道理的：原子之间的空隙中的气压降低，材料变得更致密。

直到比来，该声明才适用于任何材料。

事实证明，许多材料在超高压下会变得多孔。

来自NUST MISIS(俄罗斯)，林雪平大学(瑞典)和拜罗伊特大学(德国)的一组科学家得出了这样的结论。

该小组检查了三种金属(ha [Hf]，钨[W]和[Os])，当将其放在压力为100万大气压的金刚石砧中时，添加了N，这对应于深度为地下2.5公里。

科学家认为，压力和氮的组合影响了晶格中多孔骨架的形成。

“氮气本身是非常惰性的，没有超高压，它将不会与这些金属发生任何反应。

没有氮气的材料只会在钻石砧中冷凝。

但是，结合产生了令人惊讶的结果：一些氮原子形成了一种增强材料中的骨架，允许在晶格中形成孔。

因此，别的的氮分子进入了空间，”新材料建模与开发理论研究小组负责人Igor Abrikosov教授说。

该实验最初是由该小组的瑞典和德国成员亲自进行的，然后通过在NUST MISIS超级计算机上进行理论建模来证实其结果。

科学家们强调，这项研究是基础性的，即尚未为特定任务创建具有这种特性的材料。

目前，获得以前无法想象的材料改性这一事实很重要。

全新的步骤将是在正常大气压下保留此类材料。

超高压下凝聚态物质的结构与性质压力是独立于温度和组分的另一个普遍影响物质结构、性质的基本变量。

适当的超高压可以非常有效地缩短物质内部原子间的距离、增加相邻电子轨道重叠，改变电子自旋、进而改变物质的晶体结构、电子结构和原子间的相互作用。

使得达到平衡状态，形成高压新相。

二这些新相大多具有异于常压物质的结构和新颖的物理性质。

高压为深入认识物质结构性质和变化规律提供了一个新的维度和空间。

超高压下的凝聚态物质研究已经成为备受关注的前沿领域，超高压在物质科学研究中起着其他条件无可替代的作用。

近年来，超高压的实验技术取得了突破性的进展，在实验室中已经可以产生500GPa的静态高压力。

同时还能在百万大起亚下产生的300摄氏度以上的高温和极低的温度。

目前为止，除了表面物理外，几乎所有与物质结构和性质有关的物理量，都能在超高压条件下进行原位、微区和精密的测量，超高压下凝聚态物质的理论研究和进展也非常引人注目，目前，超高压研究已经发展到精密实验与理论相结合的新阶段。

在超高压极端条件下，已经揭示出许多在常压下无法预想的新现象和新效应。

如由于高压改变物质中电子的关联作用及电子和经过的相互作用，导致了许多非超导体（锂硼氧硫铁和有机半导体等）在高压下成为超导体，常压下的超导体在高压下可以改变其超导温度，迄今为止，最高超导温度164K就是在高压下获得的由于压力对能带和固体中参杂离子的电子能级有调谐作用，导致了固体中电子的非局域化，使得绝缘体变成半导体，并在足够的压力下最终变成导体超高压下，通常许多模型和近似都失去意义，比如常压下处理碱金属电导率和温度的关系上非常成功的布洛赫-格林内饰定律，在高压下就无法得到令人信服的结果，因为布里渊区球面近似在高压下并不有效，需要新的近似和模型。

最近发现的金属钠，在室温下的压制融化现象，对于传统的融化理论就是提出了挑战。

超高压下嫩巩固制备出常规条件下无法的到的新物质。

高压下合成的具有开发室框架结构的三五族化合物，具有电学、热传导和超导等特殊物理性质。

态结构与材料性能有直接的关系
具有相同链结构的同一种聚合物，在不同加工成
形条件下，也会产生不同的聚集状态，结果，制
品性能迥然不同。
如：涤纶片：缓慢冷却→结晶→呈脆性；迅速
冷却并经双轴拉伸的涤纶薄膜→只取向而未结
晶→韧性非常好的材料。
.
6
3.1高分子间的作用力
物质为什么会形成凝聚态？---分子间作用力
塑料使用
.
11
3.2 晶态聚合物结构
只要高分子本身具有必要的规整结构，并给予适
宜的条件，可以从熔体或溶液结晶，形成晶体。
判断是否结晶最重要的实验证据是什么？
X-射线衍射
仪：衍射花样、
衍射曲线
x射线是一种波长比可见光波
长短很多倍的电磁波。x射线
射入晶体后，晶体中按一定
周期重复排列的大量原子产
生的次生x射线会发生干涉现
晶胞和晶系
晶胞：在晶体中划分出大小
和形状完全一样的具有周期
性排列的最小平行六面体
晶胞参数：描述晶胞结构的
参数，有6个
c
平行六面体的三边的长
度：a、b、c
平行六面体的三边的夹
角：α、β、γ
a
b
g
b
a
.
22
晶系：晶体根据其在晶体理想外形或综合宏观物理
性质中呈现的特征对称元素可划分为为7个晶系
七大晶系
abc
a=g=90°, b90°
三斜 Triclinic
abc
a=b=g=90°
24
晶面和晶面指数
结晶格子内所有的格子点全部集中在相互平行的
等间距的平面群上，这些平面叫晶面，晶面与晶
面的距离叫晶面间距
不同的角度去观察，会见到不同的晶面

ν ip = 4π Rθ N A ρ a 3M ν ip ∝ M
12
Rθ ∝ M
12
链相互穿透的密集程度：
聚苯乙烯:
ρ a = 1.05 g cm
Rθ ( nm )
8.7 27.4
3
M
105 106
ρ a ρ1
17 54
在非晶态高聚物固体中，在一根链所占据的空间 中（半径为 Rθ 的球状空间），有几十个链的质心 落在其中。
白色污染是人们对难降解的塑料垃圾(多指塑料袋)污染环境现象 的一种形象称谓
玉米塑料
H.Staudinger（ 1953年诺贝尔化学奖）： • • • 高分子是由多价原子彼此以主价键结合而成的长链状 分子 长链中的结构单元数很大（102～105），一个结构单 元相当于一个小分子 高分子的分子量一般为（104～107）
Kevlar®头盔防碎片和子弹的能力要超出钢盔25%到 40%。
H N
H N
O
O C
n
C
对位聚芳酰胺（芳纶1414）
杜邦公司
消防服
F1赛车服
间位聚芳酰胺（芳纶1313）
杜邦公司
手电筒
（高强度尼龙纤维制成的筒身）
supermileage比赛冠军
（碳纤维材料的轻骑兵）
碳纤维复合材料
由碳纤维和铝合金 制成的赛车底盘
物质三态的由来：
改变温度：
气态 如：水蒸气 液态 水 固态 冰
改变浓度：
稀溶液 如：糖水 浓溶液 糖浆 固体 糖块
小分子的共价键和次价键：
共价键键能:100-900kJ/mol 范德华力作用能: 0.8-21kJ/mol
偶极力：13-21kJ/mol 诱导力：6-13kJ/mol 色散力：0.8-8kJ/mol