近期，中科院 合肥研究院固體物理研究所極端環(huán)境量子物質(zhì)中心團隊利用金剛石對頂砧加壓裝置研究了高壓下二氧化硫的物性，首次在二氧化硫中發(fā)現了壓力誘導的可逆非晶多形態(tài)相變，相關(guān)研究成果以“Pressure-induced amorphization and existence of molecular and polymeric amorphous forms in dense SO₂”為題發(fā)表在美國科學(xué)院院刊PNAS上。

　　二氧化硫是一種簡(jiǎn)單的分子氣體，在工業(yè)生產(chǎn)、地球物理和大氣環(huán)境中都起著(zhù)重要的作用。與氮氣、氧氣和二氧化碳等常見(jiàn)氣體不同，二氧化硫是彎曲的極性分子，在高壓下會(huì )呈現出不同的性質(zhì)和相圖。在本工作中，科研人員發(fā)現壓力會(huì )誘導二氧化硫非晶化，并且存在兩種高壓非晶相：分子非晶相（二配位的硫）和聚合物非晶相（三配位的硫）。這是首次在二氧化硫體系中發(fā)現的非晶多形態(tài)。

　 極端環(huán)境量子物質(zhì)中心研究人員利用金剛石對頂砧這一高壓裝置將二氧化硫加壓至60GPa，結合低溫手段，并利用拉曼光譜、同步輻射X射線(xiàn)衍射等技術(shù)，獲得了0-60GPa壓力區間77-300K溫度區間的相變以及結構信息。在溫度為77K路徑下，當施加的壓力低于16GPa時(shí)，二氧化硫處于晶體相。加壓到16GPa后，二氧化硫開(kāi)始了壓力誘導的非晶化相變，從晶體相進(jìn)入分子態(tài)的非晶相（二配位的硫）。進(jìn)一步加壓到26GPa，二氧化硫發(fā)生了從分子非晶相（二配位的硫）到鏈狀的聚合非晶相（三配位的硫）的相變。通過(guò)不同溫度路徑的實(shí)驗，發(fā)現在77-300K整個(gè)溫度區間二氧化硫都遵從晶體相—分子態(tài)非晶相—聚合物非晶相的相變路徑，而且該相變路徑可逆，進(jìn)一步研究發(fā)現不同溫度路徑下的非晶化相變壓力有所不同，但保持在10-16GPa之間。研究人員通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬也驗證了該相變路徑，并且發(fā)現分子非晶相到聚合物非晶相的相變實(shí)質(zhì)上是二氧化硫分子中的S原子從二配位變?yōu)槿湮唬瑥亩纬闪随湢畹木酆衔铩Ｑ芯咳藛T通過(guò)實(shí)驗和理論手段的完美結合，證實(shí)了二氧化硫體系中存在非晶多形態(tài)。

　　高壓下物質(zhì)的晶體相之間發(fā)生結構相變比較常見(jiàn)，而非晶相之間的相變非常少見(jiàn)。有些材料具有多種非晶相，而且不同非晶相之間可以發(fā)生轉換，稱(chēng)為非晶多形態(tài)相變。非晶多形態(tài)在1984年在水/冰體系中發(fā)現，系為低密度的非晶冰（LDA）和高密度的非晶冰（HDA），隨后在二氧化硅、硅和二氧化鍺等體系中也發(fā)現非晶多形態(tài)。在凝聚態(tài)物理中，非晶多形態(tài)現象十分有趣，但是發(fā)現此現象的體系還較少，研究尚不系統深入。此工作不僅為非晶多形態(tài)現象提供了一個(gè)新的實(shí)例，并為理解其他材料的非晶態(tài)相變提供了參考。

　　該工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院國際訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者項目、中科院創(chuàng )新基金、院長(cháng)基金等項目支持。

　　文章連接：https://www.pnas.org/content/early/2020/04/02/1917749117