1.3 高壓環境

1.3.1 基本概念

在熱力學系統中自由能與壓力（P）和溫度（T）的關系如下式所示：

G=U-TS+PV

其中：G為吉布斯自由能，U為系統內能，S為熵，V為體積，P則是此等式中的基本熱變量。通常情況下溫度也是一個變量，但在此書的研究范圍內溫度變化較小，基本上在幾千度或幾百開爾文左右。而壓力變量則與之呈鮮明對比，最近的高壓研究已經達到特帕級別（1TPa=1000GPa）[56,56]，這意味著壓力變化范圍可由常壓到107倍高壓。雖然特帕實驗的壓力也是恒定的（常使用高壓沖擊波），但在由常壓增壓至特帕的過程中可能產生一系列材料晶型變化，這變化十分值得研究。

因此，改變熱力學系統中的壓力可以改變自由能的大小，進而可能引發新的晶型轉變或探索出新的反應途徑。在基于壓力變化的晶型研究中，人們已經發現分子內和分子間的作用會導致晶系自由能的產生。高壓結構的研究也為分子建模中分子內電勢提供了詳細的測試方法[57]。

高壓實驗所需的儀器在之后的章節中將會詳細介紹，本小節接下來將梳理高壓實驗領域的發展和主要成果，對高壓研究如何成為結構學的前沿研究進行說明，為后續章節打下理論基礎。

Bridgeman作為可控壓力實驗研究的先驅，在二十世紀三十年代首次將人工壓力增至7000大氣壓（0.7GPa），緊接著將壓力增至2GPa[58]。在此壓力范圍內，一些常見物質的性質發生了有趣的轉變，如固態H2O轉變成冰-Ⅵ系形態，在373K時才開始融化[59]。隨著科學技術的發展，兩面頂壓機問世，這個超高壓擠壓器能夠將壓力增至5～10GPa[60,61]。

繼Bridgeman之后最重大的突破是金剛石壓砧裝置（DAC）的發明。該設備的優秀之處在于它能進一步將壓力增加至超過100GPa，并且能夠在此基礎上通過使用衍射和光譜技術獲取到材料的原始信息（具體在2.2中討論）。Katrusiak對高壓技術以及實驗方法論的發展進行了非常完善的敘述[62]。此外，Reviews in Mineralogy and Geochemistry一書中對從分子到礦物的一系列材料在極端條件下的晶體特性有詳細的描述[63]。

在高壓研究中存在多種計量單位，這些單位可相互換算。本書中所有的高壓研究統一使用GPa作為單位，它與其他單位的換算關系如下：

1GPa=10kbar=9869.2atm

1.3.2 高壓學科的研究現狀

高壓學科的研究不僅對物理、化學、材料學等學科產生了深遠的影響，而且對生物技術、食品科學等領域也意義重大。本小節主要對高壓技術的應用進行綜述。

1.3.2.1 單質及其新結構

許多單質在高壓環境下能形成不同的晶體結構，且不同晶體結構的物理性質之間存在較大差異，高壓下單質的應用是非常有前景的研究領域。單質在高壓下的物理、化學等性質的研究是多個綜述中的核心主題，更多詳細內容讀者可參考文獻64～66。本小節選取鈉和氧兩個例子來說明單元素高壓下的多晶型結構變化。

鈉與溫度、壓力之間關系的相圖相當復雜。在室溫下加壓時，鈉的體心立方結構在壓力增至65GPa前都保持穩定，繼續增壓后其結構開始向面心立方轉變[65]。高溫高壓下的壓縮實驗表明，高壓下鈉的熔融特性與常態時差異較大。Gregoryanz等人發現鈉的熔點在1000K、31GPa時達到極限值，而結構呈面心立方時熔點曲線迅速下降[67]；在300K、118GPa時降至最低，這意味著在此壓力時以人的體溫便可熔化固體鈉[68]。通過單晶X射線衍射，Gregoryanz等人發現在熔點最小時，鈉呈現7種不同晶相。在180GPa時，鈉晶體呈透明狀，并具有絕緣性[69]。

目前，人們已經發現不同溫度和壓力下存在的六種氧元素的晶體結構。α、β、γ型結構在常壓、100K以下時存在。壓縮增溫至295K，在5.4GPa時液態氧固化為β型結構，之后在9.6GPa時轉變為橙色δ型結構，再后在10GPa時它又將進一步轉變為紅色ε型結構[70]。單晶X射線衍射表明，ε型結構的氧原子組合為菱形O8分子晶格，不同于常壓下的雙原子結構[71]。在超高壓下（P＞96GPa），氧元素呈金屬狀，將此結構定為ζ型結構，它在超低溫時（Tc=0.6K）是超導體[72,73]。同一元素在不同壓力下的迥然差異說明壓力不僅中以改變物質晶型結構，而且改變其化學、物理以及電子性質。

1.3.2.2 分子系統

單質形成新晶型通常需要10～100GPa的壓力，而有機材料在0.1～10GPa下就能提供豐富的多晶型信息。高壓設備的發展和X光源亮度的不斷提高（如2.3.5論述的同步輻射光源）為測定高壓下分散度較小物質的結構提供了強有力的幫助。這一技術的發展對低對稱晶體（單斜晶體或三斜晶體）的觀測顯得尤為重要，因為此類晶體中通常含有有機分子。

目前分子系統領域的研究成果已經收獲頗豐，對分子系統多晶型的識別、測定是預測、推動這一領域研究的動力。此外，高壓研究能為分子內和分子間的作用提供詳細的論述，并進一步評估該作用對晶體系統內能的影響。本小節主要以實驗案例描述為主，列舉分子系統領域的高壓研究。更詳盡的介紹請參考Bernstein的專著[11]以及其他相關綜述[57,74～76]。

分子材料的高壓研究可大體分為：①在靜水條件下直接壓縮固體材料；②材料在液相或溶液相時加壓生成晶體。直接壓縮法是高壓分析的基本方法，可用于測量材料的可壓縮性，激發材料晶型轉變，誘發化學反應等。高壓結晶法就是將壓力作為熱力變量，誘導晶型轉變的方法，此方法能生成直接壓縮法無法生成的晶體結構。

在壓力較為適中的實驗中（P＜10GPa），分子內的共價鍵與室壓下相比變化不大。然而分子間作用，如范德華力和氫鍵等，對壓力變化較為敏感。分子結構極易受壓力影響，例如在高壓下的晶胞堆積更易。觀測壓縮機制、測定高壓下材料晶型，有助于增強人們對分子晶體與壓力的關系的認識。

針對特定的功能化基團或堆積模式的小型分子的可壓縮性的研究能為此類材料的壓力影響提供推斷依據。氨基酸在高壓下的多晶性已經得到廣泛研究[57,75,77]。研究表明，材料壓縮通常伴隨著晶體結構內空隙的坍塌，晶面間距明顯減小，氫鍵鏈或氫鍵層明顯壓縮，分子間作用明顯增強等現象的發生。例如α型的氨基酸（甘氨酸），其晶面平行的氫鍵比晶面的氮氫鍵可壓縮性高20%。這一現象被稱為晶體層堆疊距離最小化[78,79]。

然而后來人們又發現了眾多例外，如Moggach等人發現金屬有機多孔材料在壓縮時其孔徑增大，這是由于實驗樣品與傳壓介質動態相互作用所導致[80]。

為進一步系統地探索壓力對氨基酸晶體的影響，近年來[81]人們總結出計算堆疊能的方法。“像素法”（PIXEL）對水楊醛肟[82]和絲氨酸[83]的高壓相變計算十分有效。但其對L-絲氨酸一水化合物的相變計算則會出現無規律結果：盡管在高壓下絲氨酸晶面之間的庫侖力增強，水分子也因氫鍵結合作用而飽和，但Ⅱ-型絲氨酸分子間作用反而減弱[84]。2-9咔唑基苯甲酸酯晶體結構特異，在常壓下晶體層堆疊能達到最大，8個分子堆疊（Z′=8），形成不對稱的單斜晶體結構。當增壓至5.3GPa時，晶體會相變為正斜方晶結構（Z′=2）[85]（圖1.9）。

與常壓下直接壓縮固態材料相比，加壓液態或溶液態材料能更簡單、直接地產生相變。一些液態材料加壓結晶與其冷卻結晶產生的結構極為相似。如1,2-二氯甲烷在高壓或低溫下產生的結晶物質完全一致[86]。然而大部分材料在這兩種條件下的晶型差距甚遠，例如苯分子[87]、水分子[59]、酚類分子[88,90]、硝酸分子等[91]。

液相加壓結晶的方法只有在樣品在室溫下為液態，或樣品熔點較低（＜323K），能在熔融狀態被裝入金剛石壓砧裝置的情況下適用。對于熔點高的分子如醫藥類分子則不適用。熔點隨壓力增高而增高的分子也不適用此法。另一方法則是利用分子在高壓下溶解度降低這一性質，從飽和溶液中提取晶體物。

Fabbiani等人利用這些方法在他們的“高壓重結晶”實驗中得到了多種新晶型（包括溶劑化合物），如撲熱息痛（對乙酰氨基酚）、乙二酰脲、乙酰胺[92-94]。目前，這些方法仍處于初級階段，仍有眾多相關應用有待研發。例如改變溶液或晶體壓力，即改變結晶過程中的動能和熱能，這可催生一系列新結構。此類應用是非常有價值的，不僅能產生和測定新晶型，而且可以增強人們對溫度、壓力以及溶液在晶體化過程中影響的認識。

1.3.2.3 高壓技術在生物領域內的應用

盡管氨基酸類高壓多晶型的研究十分廣泛，但蛋白質等生物分子的復雜結構仍給高壓晶型研究增加了不少難度。盡管如此，為探尋壓力對生物系統的影響，人們不斷研發出新的實驗儀器和實驗技術[95,96]。例如Girard等人研發出氣動型金剛石壓砧裝置，專門應用于大分子晶體學[97]。而短波同步輻射仍是復雜分子結構晶體學研究的首選技術。

生物研究領域對元素本身的研究遠遠大于對壓力的研究，但生物分子在四個壓力數量級范圍內都可存在。已知的范圍內，從標準大氣壓（0.1MPa）到馬里亞納海溝最高壓力（0.1GPa）都發現存在自然生物系統[98]。并且目前1.0GPa左右的高壓加工工藝在食品工業領域也十分常見。表征高壓下的蛋白質分子結構不僅能為極端條件下的嗜壓細菌的研究提供寶貴信息，而且能對高壓環境下生命起源做出一定的貢獻[99]。

近年來的高壓研究將壓力作為熱變量，并且觀測生物系統隨壓力的變化。壓力大于0.4GPa時會導致蛋白質完全變性，而壓力在0.2GPa左右時蛋白質四級結構變化甚微，此變化或可逆或不可逆。適度的高壓處理方法被應用于疫苗研制[100]，例如HIV-1病毒的感染性在0.2GPa時便可完全除去[101]。

高壓處理法不僅可用于改進蛋白質和酶，還可應用于哺乳動物和植物細胞的處理。研究表明，哺乳動物細胞的壓力應變在低溫貯藏期間能對細胞起到保護作用[98]。例如公牛精液在低溫貯藏前先經壓力處理（20～40MPa,90～120min），在解凍后其精子活力幾乎沒有減弱[102]。此外，高壓處理還可用于增加生物量和農作物產量[103]。

1.3.2.4 高壓技術在食品科學中的應用

高壓處理法不僅可用于生物分子處理，在食品加工業中它還被用于保持口感和營養價值、延長保質期。研究表明，壓力（1.0GPa以內）能減緩酶的反應速率，抑制微生物活性，防止食物變質。與其他處理方法（如加熱法）不同，高壓處理法不會破壞食物外觀、口感等，這是因為壓力不會破壞食物分子內的共價鍵。

Oey等人[104]對經高壓（HP）和高溫高壓（HPHT）處理后的蔬菜或水果類食品的色澤、質地、口感等方面有詳細的綜述。他們重點描述了部分食物經壓力處理后能的益處；食物經HPHT處理后不易變形；綠色蔬菜經壓力處理后能保持色澤；高壓處理后果汁的口感優于高溫處理。但是HP處理既可能減緩又可能增強食物中生物化學反應，所以HP處理的效果是兩面的。例如草莓醬經HP處理后氣味失真，有腐壞味，而經傳統處理方法處理后則不會產生此類問題[105]。

食品加工業目前正利用HP技術加工甲殼類產品。HP技術能在保持甲殼類食物的口感和外觀的同時殺滅其中的細菌微生物。輕度加壓（0.1GPa左右）能壓裂甲殼，有效殺滅牡蠣和蛤等雙殼貝類內的微生物，對生產加工和消費者食用都帶來了益處[106]。

近期的研究表明高壓處理技術能消除小麥制品的變應原性。Yamamoto等人通過紫外線光譜和熒光光譜證明經高壓處理產生的α-淀粉酶抑制劑，能抑制變應原性[107]。

1.3.2.5 高壓技術在醫藥科學中的應用

藥物研磨和壓片的過程中通常會用到壓力處理技術。研究表明適度的壓力（0.1GPa左右）能使藥物成分產生部分或完全相變[108,109]。因此為了提高藥物成分的精度，在一系列篩選過程中有必要使用不同壓力提取不同晶型結構的物質。了解更多制藥過程中壓力處理細節，請參見文獻110,111。

高壓技術不僅可用于鑒定篩選藥物成分，還能用于增強藥用活性成分（API）的藥效。金剛石壓砧（DAC）壓縮技術提高了可控壓力的范圍，同時也增加了多晶型藥物成分的識別范圍。在某些情況下，高壓型物質有足夠的亞穩定性，能被還原為常壓型，也能作為晶種使用。Fabbiani等人進行了多個高壓重結晶實驗，得到了一系列溶劑合物以及部分新晶型[92-94]。

通過直接壓縮或高壓重結晶技術生成多晶型物質的典型案例是撲熱息痛（圖1.10）。在室溫、常壓等標準環境下，撲熱息痛的熱穩定結構為單斜晶體Ⅰ型-撲熱息痛[112-114]。但在此條件下也存在亞穩定正交晶Ⅱ型-撲熱息痛[115]。最近的實驗通過粉末X射線衍射法還在標準環境下檢測出微量正交晶Ⅲ型-撲熱息痛[116-119]。

眾所周知，具有單斜晶系特點的撲熱息痛的壓縮性較差，在壓片過程中需要添加明膠或淀粉衍生物作為粘合劑，這增加了工序復雜度[120]。與之相比，正交晶體Ⅱ-撲熱息痛的結構具有等向壓縮性，產物易于制備[121]。因此篩選和重復制造Ⅱ-撲熱息痛結構成為重點研究方向。

成功制備Ⅱ-撲熱息痛結構的方法有很多，但所有的方法都具有相同原理[122-125]。Boldyreva等人發現使用直接壓縮法加壓至4.0GPa以上時，以Ⅰ型-撲熱息痛為主的多晶型樣品會轉化為以Ⅱ型-撲熱息痛為主[121]。但此轉化并不完全，而且單晶物質在此壓力下不會發生相變。由此說明僅使用直接壓縮法不能得到純Ⅱ型-撲熱息痛成分。

DAC高壓重結晶法制取撲熱息痛的實驗在1.1GPa時能得到純凈Ⅱ型-撲熱息痛成分[93]以及少量共晶[92,93]。這一現象激發了飽和溶液高壓結晶沉淀法大量重復制取Ⅱ型-撲熱息痛的實驗。在Oswald等人的實驗報告指出，通過此方法成功制取了0.3g純凈Ⅱ型-撲熱息痛，并且通過改變溶液濃度或結晶壓力能有效控制產物晶型[126]。

1.3.2.6 含能材料

高速沖擊波穿透含能物質時產生的壓力能達到50GPa，溫度能達到5500K[127]。在這些極端條件下了解含能材料性質對過程建模的意義重大。對高溫高壓下的含能材料結構和物理性質研究已有多個重要研究成果，在文獻128～130中有詳細綜述。

目前，主要使用計算法來探究含能材料在極端溫度和壓力下的特性。這些方法能為爆炸產生的能量釋放過程的反應機制和反應速率提供寶貴的數據。該研究的目的是對含能材料的理化性能進行精準預估和建模，從而避免現場實驗的危險因素，節省材料開銷[131,132]。但為了能以具體實驗驗證理論推斷，現場實驗仍是不可缺少的環節。可通過動態壓力或靜態壓力獲取材料結構信息。

含能材料的動態壓縮實驗是通過向材料發射高速射彈，測量撞擊產生的沖擊波。射彈通過氣動槍或爆炸源得到動能，速度最高可達8000m/s，撞擊時產生的壓力最大可達100GPa，也可使用高壓離子槍達到相似效果（由高能激光射向材料產生壓力）。材料的狀態方程（詳見章節2.6）可通過測量震波在材料中的傳播速率和波前波后的速率變化得出（若波前速率為零則直接取波后速率）。近來超高速光譜技術的發展使得人們可以在沖擊波壓縮的過程中觀測分子材料的變化，這意味著人們可以檢測到高溫高壓環境下的材料相變[133]。與之相比，衍射技術只能觀測壓縮后的材料。

為確定含能材料在極端條件下的晶型，應首先對材料進行直接靜態壓縮。可使用金剛石壓砧等設備將壓力提高至30GPa左右，同時將溫度提高至650K左右。此階段可使用光譜鏡和衍射技術同時觀測，以精確測量材料的壓縮行為。因此可直接檢測出含能材料的壓縮機制存在的各向異性，發現分子內和分子間的作用規律，識別高壓多晶型。

本書正文將細化前面章節提及的RDX（圖1.2）、CL-20（圖1.3）和無機疊氮物研究。此外，HMX、FOX-7和含能胺化物也有大量高壓研究。此小節接下來將列舉闡述HMX、FOX-7和含能胺化物高壓研究的成果以及難點。

HMX在常溫常壓下具有豐富的多晶型，目前已通過單晶X射線衍射和中子衍射測定出三種晶型（α, β, δ）和一種半水合物晶型（γ-HMX）[47,49]。β-HMX的高壓穩定性已經經過光譜鏡[134]、衍射[135]、計算法[136,137]等方面研究過。在靜水壓45GPa范圍內的粉末X射線實驗發現：①在12GPa時，HMX轉變為ε-HMX，體積沒有發生突然變化；②在27GPa時發生一級相變，成為高壓晶型[138]。然而在等熵壓縮單晶β-HMX時，27GPa時沒有觀測到相變[139]。最近的計算研究將HMX壓力理論計算范圍增加至40GPa，并且計算得出的結果與之前實驗數據不同。盧等人在分子動態計算時得出結論：HMX結構轉變為ε-HMX時，體積會發生突然變化[140]；但在密度泛函理論（DFT）計算研究中沒有得出此結果[141]。Zhu等人和Cui等人的相關DFT研究中沒有發現HMX在40GPa范圍內有任何相變[142-144]。

HMX的大部分理論和實驗研究的重點在β-HMX上，但其他晶型的穩定性研究也在進行。Goetz等人使用拉曼光譜發現α-HMX在壓力≤4.2GPa范圍內都能保持穩定；在壓力在0.55GPa時γ-HMX轉變為β-HMX；在壓力在0.05GPa以下時δ-HMX轉變為α和β型混合態[134]。Gump和Peiris通過粉末X射線衍射數據發現β型在5GPa左右開始降壓時會發生β到δ的相變，該發現強調了對材料減壓行為研究的重要性[135]。

FOX-7在常壓下隨溫度變化呈現多種晶型結構。除室溫下的α晶型外，高溫下還有兩種晶型：β-FOX-7在389K時由α-FOX-7轉變而來，其過程可逆[145]; γ-FOX-7在435K以上才能產生，冷卻至室溫后晶型不變[146]。Peiris等人對8.2GPa范圍內α型的壓縮行為進行了細致研究。他們發現在非靜水壓縮時粉末射線衍射圖在4.5GPa時數值會大大降低，由此猜想在此環境下樣品會轉變為非晶態[147]。FOX-7-d4粉末中子衍射實驗同樣發現在此條件下的數值降低。目前沒有對γ-FOX-7回收樣品的高壓研究。Mira等人對高壓非晶態樣品進行了高溫減壓實驗，發現實驗產生了γ-FOX-7晶型[149]。

Davdison等人最近在實驗中檢測出一系列含能胺化物硝酸銨[NH4NO3]、高氯酸銨[NH4ClO4]、二硝酰銨胺[NH4N（NO2）2][150]。他們發現硝酸銨在高壓為7.85GPa范圍內的靜水壓縮實驗中能夠保持晶型穩定，但在進行無密封圈金剛石壓砧（DAC）實驗[151]和沖擊壓縮實驗[152]時硝酸銨在3.0GPa左右便會產生相變。這說明非靜水壓條件對促進硝酸銨相變影響重大。

高氯酸銨是一種含能氧化劑，多用于作為固體火箭發動機的燃料。高氯酸銨在3.49-3.98GPa間發生一級相變，體積減小1.8%。Davdison等人通過粉末中子衍射和粉末X射線衍射得到其高精度結構成像[148]。除相變壓力存在顯著差異外，此次實驗與之前的光譜鏡和粉末衍射觀測結果大致相同。Brill等人通過拉曼光譜儀測量數據，提出相變可能在2.4GPa左右發生[153]; Sandstrom等人的研究發現使用沖擊壓縮法研究高氯酸銨在4.7GPa時單晶X射線衍射圖有較大變化[152]; Peiris等人結合振動光譜和粉末X射線發現高氯酸銨在0.9GPa開始發生緩慢相變，直到3.0GPa完成全部相變[154]。需要強調的是，靜水壓和樣品純度等因素可能極大程度地影響相變。

二硝酰銨胺（ADN）特征信號低，環境污染小，目前正用于火箭推進劑的研發。相關研究通過非靜水壓振動光譜和粉末X射線衍射發現壓縮至2.0GPa時ADN會產生相變[155]。但Davidson的粉末中子實驗中（壓力最高達4.03GPa）中沒有發現相關相變[148]；最近的單晶X射線衍射補充實驗中也沒有發現相變[154]。

Davidson等人對含能胺化物的全面研究不僅對其高壓特性進行了表征，而且引起了研究人員對條件促進或抑制樣品相變的學科關注。