高压化学：从地球深部到新型材料合成的多学科前沿探索

本文综述了高压化学领域的最新进展，涵盖地球深部物质循环（如地幔过渡带碳循环）、极端条件下材料相变（如NH4F结构转变）及非传统合成路径（如动态压缩制备准晶体）。研究通过固态核磁共振（NMR）、金刚石压砧（DAC）和动态压缩等技术，揭示了高压对化学键重组、矿物稳定性和生命适应性的深刻影响，为地球科学、能源材料开发提供新视角。

　　

1894年，H.G.威尔斯在短篇小说《钻石制造者》中描绘了通过钢筒爆炸合成钻石的荒诞场景，折射出当时高压化学面临的巨大挑战。直到1954年，霍尔（Hall）发明可产生10 GPa压力的"带式装置"才实现人造钻石合成，开启了高压科学的黄金时代。如今，高压技术已成为揭示地球深部奥秘和设计新型材料的利器——从深海微生物的膜流动性调节到地幔过渡带碳循环，从简单分子（如H₂O）的复杂相变到惰性气体化合物的反常活性，高压环境不断颠覆传统化学认知。

马萨诸塞大学阿默斯特分校的James P.S. Walsh团队在《Communications Chemistry》组织的高压化学专题中，汇集了25项突破性研究。这些工作主要采用四大关键技术：①30 MPa高压固态NMR解析生物膜适应性；②金刚石压砧（DAC）结合激光加热实现65 GPa极端条件合成；③动态压缩（7 km/s飞片撞击）产生20-30 GPa瞬态高压制备准晶体；④同步辐射X射线衍射追踪非静水应力诱导的ZrS₂金属化。

高压地球与生物化学
Osborn Popp等开发30 MPa原位NMR技术，发现深海微生物通过调节膜磷脂横向扩散速率适应高压环境。Laurent团队则揭示4 kbar下三甲胺N-氧化物（TMAO）通过维持水分子网络结构抵抗蛋白质变性。Zhang等在地幔俯冲带样品中发现1.3-2.1 GPa压力下甲烷-水不混溶相，提出碳向地幔迁移的新机制。Spahr在20 GPa下合成的焦碳酸盐Ca₄[C₂O₅][CO₃]，为深部碳循环提供了关键矿物学证据。

结构与机械性能
NH₄F在高压下呈现罕见的菱面体-立方相变（Ranieri等），而K-Ag合金电子结构研究（Ukoji等）揭示d电子轨道杂化主导高压相稳定性。Buckingham首次测定高熵硫族化合物(MnFeCuAgZnCo)_1.5S的体模量，证明其抗压性与晶格畸变相关。Yang团队发现非静水应力使ZrS₂金属化压力降低40%，表明应力场调控是材料设计新维度。

高压合成与表征
Kovalev在65 GPa下合成含金字塔形[CaO₅]^7-阴离子的新型铁碳酸盐。Neziraj团队通过4 GPa氢稳定化获得Mg₅Bi₃H_x Zintl相，拓展了储氢材料体系。Tang的蒙特卡洛模拟阐明金刚石从纳米碳骨架（diamondoid）到体材料的生长路径优化策略。

结论与展望
该专题彰显高压化学三大范式突破：①技术革新使实验室可模拟地核条件（>100 GPa）；②极端压力激活"惰性"物质（如NaCl参与稀土氯化物合成）；③多尺度表征（从?级键长变化到宏观体模量）推动理论模型完善。动态压缩、原位谱学与计算模拟的融合，正将高压科学从相图测绘推向功能材料理性设计的新纪元。