1.3 高压环境

1.3.1 基本概念

在热力学系统中自由能与压力（P）和温度（T）的关系如下式所示：

G=U-TS+PV

其中：G为吉布斯自由能，U为系统内能，S为熵，V为体积，P则是此等式中的基本热变量。通常情况下温度也是一个变量，但在此书的研究范围内温度变化较小，基本上在几千度或几百开尔文左右。而压力变量则与之呈鲜明对比，最近的高压研究已经达到特帕级别（1TPa=1000GPa）[56,56]，这意味着压力变化范围可由常压到107倍高压。虽然特帕实验的压力也是恒定的（常使用高压冲击波），但在由常压增压至特帕的过程中可能产生一系列材料晶型变化，这变化十分值得研究。

因此，改变热力学系统中的压力可以改变自由能的大小，进而可能引发新的晶型转变或探索出新的反应途径。在基于压力变化的晶型研究中，人们已经发现分子内和分子间的作用会导致晶系自由能的产生。高压结构的研究也为分子建模中分子内电势提供了详细的测试方法[57]。

高压实验所需的仪器在之后的章节中将会详细介绍，本小节接下来将梳理高压实验领域的发展和主要成果，对高压研究如何成为结构学的前沿研究进行说明，为后续章节打下理论基础。

Bridgeman作为可控压力实验研究的先驱，在二十世纪三十年代首次将人工压力增至7000大气压（0.7GPa），紧接着将压力增至2GPa[58]。在此压力范围内，一些常见物质的性质发生了有趣的转变，如固态H2O转变成冰-Ⅵ系形态，在373K时才开始融化[59]。随着科学技术的发展，两面顶压机问世，这个超高压挤压器能够将压力增至5～10GPa[60,61]。

继Bridgeman之后最重大的突破是金刚石压砧装置（DAC）的发明。该设备的优秀之处在于它能进一步将压力增加至超过100GPa，并且能够在此基础上通过使用衍射和光谱技术获取到材料的原始信息（具体在2.2中讨论）。Katrusiak对高压技术以及实验方法论的发展进行了非常完善的叙述[62]。此外，Reviews in Mineralogy and Geochemistry一书中对从分子到矿物的一系列材料在极端条件下的晶体特性有详细的描述[63]。

在高压研究中存在多种计量单位，这些单位可相互换算。本书中所有的高压研究统一使用GPa作为单位，它与其他单位的换算关系如下：

1GPa=10kbar=9869.2atm

1.3.2 高压学科的研究现状

高压学科的研究不仅对物理、化学、材料学等学科产生了深远的影响，而且对生物技术、食品科学等领域也意义重大。本小节主要对高压技术的应用进行综述。

1.3.2.1 单质及其新结构

许多单质在高压环境下能形成不同的晶体结构，且不同晶体结构的物理性质之间存在较大差异，高压下单质的应用是非常有前景的研究领域。单质在高压下的物理、化学等性质的研究是多个综述中的核心主题，更多详细内容读者可参考文献64～66。本小节选取钠和氧两个例子来说明单元素高压下的多晶型结构变化。

钠与温度、压力之间关系的相图相当复杂。在室温下加压时，钠的体心立方结构在压力增至65GPa前都保持稳定，继续增压后其结构开始向面心立方转变[65]。高温高压下的压缩实验表明，高压下钠的熔融特性与常态时差异较大。Gregoryanz等人发现钠的熔点在1000K、31GPa时达到极限值，而结构呈面心立方时熔点曲线迅速下降[67]；在300K、118GPa时降至最低，这意味着在此压力时以人的体温便可熔化固体钠[68]。通过单晶X射线衍射，Gregoryanz等人发现在熔点最小时，钠呈现7种不同晶相。在180GPa时，钠晶体呈透明状，并具有绝缘性[69]。

目前，人们已经发现不同温度和压力下存在的六种氧元素的晶体结构。α、β、γ型结构在常压、100K以下时存在。压缩增温至295K，在5.4GPa时液态氧固化为β型结构，之后在9.6GPa时转变为橙色δ型结构，再后在10GPa时它又将进一步转变为红色ε型结构[70]。单晶X射线衍射表明，ε型结构的氧原子组合为菱形O8分子晶格，不同于常压下的双原子结构[71]。在超高压下（P＞96GPa），氧元素呈金属状，将此结构定为ζ型结构，它在超低温时（Tc=0.6K）是超导体[72,73]。同一元素在不同压力下的迥然差异说明压力不仅中以改变物质晶型结构，而且改变其化学、物理以及电子性质。

1.3.2.2 分子系统

单质形成新晶型通常需要10～100GPa的压力，而有机材料在0.1～10GPa下就能提供丰富的多晶型信息。高压设备的发展和X光源亮度的不断提高（如2.3.5论述的同步辐射光源）为测定高压下分散度较小物质的结构提供了强有力的帮助。这一技术的发展对低对称晶体（单斜晶体或三斜晶体）的观测显得尤为重要，因为此类晶体中通常含有有机分子。

目前分子系统领域的研究成果已经收获颇丰，对分子系统多晶型的识别、测定是预测、推动这一领域研究的动力。此外，高压研究能为分子内和分子间的作用提供详细的论述，并进一步评估该作用对晶体系统内能的影响。本小节主要以实验案例描述为主，列举分子系统领域的高压研究。更详尽的介绍请参考Bernstein的专著[11]以及其他相关综述[57,74～76]。

分子材料的高压研究可大体分为：①在静水条件下直接压缩固体材料；②材料在液相或溶液相时加压生成晶体。直接压缩法是高压分析的基本方法，可用于测量材料的可压缩性，激发材料晶型转变，诱发化学反应等。高压结晶法就是将压力作为热力变量，诱导晶型转变的方法，此方法能生成直接压缩法无法生成的晶体结构。

在压力较为适中的实验中（P＜10GPa），分子内的共价键与室压下相比变化不大。然而分子间作用，如范德华力和氢键等，对压力变化较为敏感。分子结构极易受压力影响，例如在高压下的晶胞堆积更易。观测压缩机制、测定高压下材料晶型，有助于增强人们对分子晶体与压力的关系的认识。

针对特定的功能化基团或堆积模式的小型分子的可压缩性的研究能为此类材料的压力影响提供推断依据。氨基酸在高压下的多晶性已经得到广泛研究[57,75,77]。研究表明，材料压缩通常伴随着晶体结构内空隙的坍塌，晶面间距明显减小，氢键链或氢键层明显压缩，分子间作用明显增强等现象的发生。例如α型的氨基酸（甘氨酸），其晶面平行的氢键比晶面的氮氢键可压缩性高20%。这一现象被称为晶体层堆叠距离最小化[78,79]。

然而后来人们又发现了众多例外，如Moggach等人发现金属有机多孔材料在压缩时其孔径增大，这是由于实验样品与传压介质动态相互作用所导致[80]。

为进一步系统地探索压力对氨基酸晶体的影响，近年来[81]人们总结出计算堆叠能的方法。“像素法”（PIXEL）对水杨醛肟[82]和丝氨酸[83]的高压相变计算十分有效。但其对L-丝氨酸一水化合物的相变计算则会出现无规律结果：尽管在高压下丝氨酸晶面之间的库仑力增强，水分子也因氢键结合作用而饱和，但Ⅱ-型丝氨酸分子间作用反而减弱[84]。2-9咔唑基苯甲酸酯晶体结构特异，在常压下晶体层堆叠能达到最大，8个分子堆叠（Z′=8），形成不对称的单斜晶体结构。当增压至5.3GPa时，晶体会相变为正斜方晶结构（Z′=2）[85]（图1.9）。

与常压下直接压缩固态材料相比，加压液态或溶液态材料能更简单、直接地产生相变。一些液态材料加压结晶与其冷却结晶产生的结构极为相似。如1,2-二氯甲烷在高压或低温下产生的结晶物质完全一致[86]。然而大部分材料在这两种条件下的晶型差距甚远，例如苯分子[87]、水分子[59]、酚类分子[88,90]、硝酸分子等[91]。

液相加压结晶的方法只有在样品在室温下为液态，或样品熔点较低（＜323K），能在熔融状态被装入金刚石压砧装置的情况下适用。对于熔点高的分子如医药类分子则不适用。熔点随压力增高而增高的分子也不适用此法。另一方法则是利用分子在高压下溶解度降低这一性质，从饱和溶液中提取晶体物。

Fabbiani等人利用这些方法在他们的“高压重结晶”实验中得到了多种新晶型（包括溶剂化合物），如扑热息痛（对乙酰氨基酚）、乙二酰脲、乙酰胺[92-94]。目前，这些方法仍处于初级阶段，仍有众多相关应用有待研发。例如改变溶液或晶体压力，即改变结晶过程中的动能和热能，这可催生一系列新结构。此类应用是非常有价值的，不仅能产生和测定新晶型，而且可以增强人们对温度、压力以及溶液在晶体化过程中影响的认识。

1.3.2.3 高压技术在生物领域内的应用

尽管氨基酸类高压多晶型的研究十分广泛，但蛋白质等生物分子的复杂结构仍给高压晶型研究增加了不少难度。尽管如此，为探寻压力对生物系统的影响，人们不断研发出新的实验仪器和实验技术[95,96]。例如Girard等人研发出气动型金刚石压砧装置，专门应用于大分子晶体学[97]。而短波同步辐射仍是复杂分子结构晶体学研究的首选技术。

生物研究领域对元素本身的研究远远大于对压力的研究，但生物分子在四个压力数量级范围内都可存在。已知的范围内，从标准大气压（0.1MPa）到马里亚纳海沟最高压力（0.1GPa）都发现存在自然生物系统[98]。并且目前1.0GPa左右的高压加工工艺在食品工业领域也十分常见。表征高压下的蛋白质分子结构不仅能为极端条件下的嗜压细菌的研究提供宝贵信息，而且能对高压环境下生命起源做出一定的贡献[99]。

近年来的高压研究将压力作为热变量，并且观测生物系统随压力的变化。压力大于0.4GPa时会导致蛋白质完全变性，而压力在0.2GPa左右时蛋白质四级结构变化甚微，此变化或可逆或不可逆。适度的高压处理方法被应用于疫苗研制[100]，例如HIV-1病毒的感染性在0.2GPa时便可完全除去[101]。

高压处理法不仅可用于改进蛋白质和酶，还可应用于哺乳动物和植物细胞的处理。研究表明，哺乳动物细胞的压力应变在低温贮藏期间能对细胞起到保护作用[98]。例如公牛精液在低温贮藏前先经压力处理（20～40MPa,90～120min），在解冻后其精子活力几乎没有减弱[102]。此外，高压处理还可用于增加生物量和农作物产量[103]。

1.3.2.4 高压技术在食品科学中的应用

高压处理法不仅可用于生物分子处理，在食品加工业中它还被用于保持口感和营养价值、延长保质期。研究表明，压力（1.0GPa以内）能减缓酶的反应速率，抑制微生物活性，防止食物变质。与其他处理方法（如加热法）不同，高压处理法不会破坏食物外观、口感等，这是因为压力不会破坏食物分子内的共价键。

Oey等人[104]对经高压（HP）和高温高压（HPHT）处理后的蔬菜或水果类食品的色泽、质地、口感等方面有详细的综述。他们重点描述了部分食物经压力处理后能的益处；食物经HPHT处理后不易变形；绿色蔬菜经压力处理后能保持色泽；高压处理后果汁的口感优于高温处理。但是HP处理既可能减缓又可能增强食物中生物化学反应，所以HP处理的效果是两面的。例如草莓酱经HP处理后气味失真，有腐坏味，而经传统处理方法处理后则不会产生此类问题[105]。

食品加工业目前正利用HP技术加工甲壳类产品。HP技术能在保持甲壳类食物的口感和外观的同时杀灭其中的细菌微生物。轻度加压（0.1GPa左右）能压裂甲壳，有效杀灭牡蛎和蛤等双壳贝类内的微生物，对生产加工和消费者食用都带来了益处[106]。

近期的研究表明高压处理技术能消除小麦制品的变应原性。Yamamoto等人通过紫外线光谱和荧光光谱证明经高压处理产生的α-淀粉酶抑制剂，能抑制变应原性[107]。

1.3.2.5 高压技术在医药科学中的应用

药物研磨和压片的过程中通常会用到压力处理技术。研究表明适度的压力（0.1GPa左右）能使药物成分产生部分或完全相变[108,109]。因此为了提高药物成分的精度，在一系列筛选过程中有必要使用不同压力提取不同晶型结构的物质。了解更多制药过程中压力处理细节，请参见文献110,111。

高压技术不仅可用于鉴定筛选药物成分，还能用于增强药用活性成分（API）的药效。金刚石压砧（DAC）压缩技术提高了可控压力的范围，同时也增加了多晶型药物成分的识别范围。在某些情况下，高压型物质有足够的亚稳定性，能被还原为常压型，也能作为晶种使用。Fabbiani等人进行了多个高压重结晶实验，得到了一系列溶剂合物以及部分新晶型[92-94]。

通过直接压缩或高压重结晶技术生成多晶型物质的典型案例是扑热息痛（图1.10）。在室温、常压等标准环境下，扑热息痛的热稳定结构为单斜晶体Ⅰ型-扑热息痛[112-114]。但在此条件下也存在亚稳定正交晶Ⅱ型-扑热息痛[115]。最近的实验通过粉末X射线衍射法还在标准环境下检测出微量正交晶Ⅲ型-扑热息痛[116-119]。

众所周知，具有单斜晶系特点的扑热息痛的压缩性较差，在压片过程中需要添加明胶或淀粉衍生物作为粘合剂，这增加了工序复杂度[120]。与之相比，正交晶体Ⅱ-扑热息痛的结构具有等向压缩性，产物易于制备[121]。因此筛选和重复制造Ⅱ-扑热息痛结构成为重点研究方向。

成功制备Ⅱ-扑热息痛结构的方法有很多，但所有的方法都具有相同原理[122-125]。Boldyreva等人发现使用直接压缩法加压至4.0GPa以上时，以Ⅰ型-扑热息痛为主的多晶型样品会转化为以Ⅱ型-扑热息痛为主[121]。但此转化并不完全，而且单晶物质在此压力下不会发生相变。由此说明仅使用直接压缩法不能得到纯Ⅱ型-扑热息痛成分。

DAC高压重结晶法制取扑热息痛的实验在1.1GPa时能得到纯净Ⅱ型-扑热息痛成分[93]以及少量共晶[92,93]。这一现象激发了饱和溶液高压结晶沉淀法大量重复制取Ⅱ型-扑热息痛的实验。在Oswald等人的实验报告指出，通过此方法成功制取了0.3g纯净Ⅱ型-扑热息痛，并且通过改变溶液浓度或结晶压力能有效控制产物晶型[126]。

1.3.2.6 含能材料

高速冲击波穿透含能物质时产生的压力能达到50GPa，温度能达到5500K[127]。在这些极端条件下了解含能材料性质对过程建模的意义重大。对高温高压下的含能材料结构和物理性质研究已有多个重要研究成果，在文献128～130中有详细综述。

目前，主要使用计算法来探究含能材料在极端温度和压力下的特性。这些方法能为爆炸产生的能量释放过程的反应机制和反应速率提供宝贵的数据。该研究的目的是对含能材料的理化性能进行精准预估和建模，从而避免现场实验的危险因素，节省材料开销[131,132]。但为了能以具体实验验证理论推断，现场实验仍是不可缺少的环节。可通过动态压力或静态压力获取材料结构信息。

含能材料的动态压缩实验是通过向材料发射高速射弹，测量撞击产生的冲击波。射弹通过气动枪或爆炸源得到动能，速度最高可达8000m/s，撞击时产生的压力最大可达100GPa，也可使用高压离子枪达到相似效果（由高能激光射向材料产生压力）。材料的状态方程（详见章节2.6）可通过测量震波在材料中的传播速率和波前波后的速率变化得出（若波前速率为零则直接取波后速率）。近来超高速光谱技术的发展使得人们可以在冲击波压缩的过程中观测分子材料的变化，这意味着人们可以检测到高温高压环境下的材料相变[133]。与之相比，衍射技术只能观测压缩后的材料。

为确定含能材料在极端条件下的晶型，应首先对材料进行直接静态压缩。可使用金刚石压砧等设备将压力提高至30GPa左右，同时将温度提高至650K左右。此阶段可使用光谱镜和衍射技术同时观测，以精确测量材料的压缩行为。因此可直接检测出含能材料的压缩机制存在的各向异性，发现分子内和分子间的作用规律，识别高压多晶型。

本书正文将细化前面章节提及的RDX（图1.2）、CL-20（图1.3）和无机叠氮物研究。此外，HMX、FOX-7和含能胺化物也有大量高压研究。此小节接下来将列举阐述HMX、FOX-7和含能胺化物高压研究的成果以及难点。

HMX在常温常压下具有丰富的多晶型，目前已通过单晶X射线衍射和中子衍射测定出三种晶型（α, β, δ）和一种半水合物晶型（γ-HMX）[47,49]。β-HMX的高压稳定性已经经过光谱镜[134]、衍射[135]、计算法[136,137]等方面研究过。在静水压45GPa范围内的粉末X射线实验发现：①在12GPa时，HMX转变为ε-HMX，体积没有发生突然变化；②在27GPa时发生一级相变，成为高压晶型[138]。然而在等熵压缩单晶β-HMX时，27GPa时没有观测到相变[139]。最近的计算研究将HMX压力理论计算范围增加至40GPa，并且计算得出的结果与之前实验数据不同。卢等人在分子动态计算时得出结论：HMX结构转变为ε-HMX时，体积会发生突然变化[140]；但在密度泛函理论（DFT）计算研究中没有得出此结果[141]。Zhu等人和Cui等人的相关DFT研究中没有发现HMX在40GPa范围内有任何相变[142-144]。

HMX的大部分理论和实验研究的重点在β-HMX上，但其他晶型的稳定性研究也在进行。Goetz等人使用拉曼光谱发现α-HMX在压力≤4.2GPa范围内都能保持稳定；在压力在0.55GPa时γ-HMX转变为β-HMX；在压力在0.05GPa以下时δ-HMX转变为α和β型混合态[134]。Gump和Peiris通过粉末X射线衍射数据发现β型在5GPa左右开始降压时会发生β到δ的相变，该发现强调了对材料减压行为研究的重要性[135]。

FOX-7在常压下随温度变化呈现多种晶型结构。除室温下的α晶型外，高温下还有两种晶型：β-FOX-7在389K时由α-FOX-7转变而来，其过程可逆[145]; γ-FOX-7在435K以上才能产生，冷却至室温后晶型不变[146]。Peiris等人对8.2GPa范围内α型的压缩行为进行了细致研究。他们发现在非静水压缩时粉末射线衍射图在4.5GPa时数值会大大降低，由此猜想在此环境下样品会转变为非晶态[147]。FOX-7-d4粉末中子衍射实验同样发现在此条件下的数值降低。目前没有对γ-FOX-7回收样品的高压研究。Mira等人对高压非晶态样品进行了高温减压实验，发现实验产生了γ-FOX-7晶型[149]。

Davdison等人最近在实验中检测出一系列含能胺化物硝酸铵[NH4NO3]、高氯酸铵[NH4ClO4]、二硝酰铵胺[NH4N（NO2）2][150]。他们发现硝酸铵在高压为7.85GPa范围内的静水压缩实验中能够保持晶型稳定，但在进行无密封圈金刚石压砧（DAC）实验[151]和冲击压缩实验[152]时硝酸铵在3.0GPa左右便会产生相变。这说明非静水压条件对促进硝酸铵相变影响重大。

高氯酸铵是一种含能氧化剂，多用于作为固体火箭发动机的燃料。高氯酸铵在3.49-3.98GPa间发生一级相变，体积减小1.8%。Davdison等人通过粉末中子衍射和粉末X射线衍射得到其高精度结构成像[148]。除相变压力存在显著差异外，此次实验与之前的光谱镜和粉末衍射观测结果大致相同。Brill等人通过拉曼光谱仪测量数据，提出相变可能在2.4GPa左右发生[153]; Sandstrom等人的研究发现使用冲击压缩法研究高氯酸铵在4.7GPa时单晶X射线衍射图有较大变化[152]; Peiris等人结合振动光谱和粉末X射线发现高氯酸铵在0.9GPa开始发生缓慢相变，直到3.0GPa完成全部相变[154]。需要强调的是，静水压和样品纯度等因素可能极大程度地影响相变。

二硝酰铵胺（ADN）特征信号低，环境污染小，目前正用于火箭推进剂的研发。相关研究通过非静水压振动光谱和粉末X射线衍射发现压缩至2.0GPa时ADN会产生相变[155]。但Davidson的粉末中子实验中（压力最高达4.03GPa）中没有发现相关相变[148]；最近的单晶X射线衍射补充实验中也没有发现相变[154]。

Davidson等人对含能胺化物的全面研究不仅对其高压特性进行了表征，而且引起了研究人员对条件促进或抑制样品相变的学科关注。