高压诱导硅酸钙钠晶体非晶化机制及其在生物材料中的应用研究

本研究通过金刚石压砧（DAC）结合原位X射线衍射（XRD）和拉曼光谱技术，揭示了Combeite晶体（Na2Ca2Si3O9）在30 GPa高压下的非晶化转变过程。实验表明，10.3-15.5 GPa压力区间内晶体结构完全消失，拉曼谱峰展宽显著，证实了压力诱导非晶化（PIA）现象。与母体玻璃高压行为的对比，为生物活性硅酸盐材料的设计提供了新见解。

　　

高压诱导Combeite晶体非晶化的突破性发现

Abstract

研究聚焦于三元钠钙硅体系中的Combeite晶体（Na₂O·2CaO·3SiO₂），通过同步辐射光源的原位观测，首次系统揭示了其在静水压条件下的结构演化规律。当压力升至10.3 GPa时，XRD图谱中晶体衍射峰开始衰减，15.5 GPa时完全消失，取而代之的是典型的非晶弥散峰。拉曼光谱中630 cm^-1和1000 cm^-1特征峰的半高宽（FWHM）在15.5 GPa后急剧增加3倍，印证了长程有序结构的崩溃。

1 INTRODUCTION

作为骨修复生物材料的候选组分，Combeite晶体因其独特的链状硅氧结构（Q²物种）备受关注。前期研究发现其母体玻璃（N₁C₂S₃）在7.7 GPa/720°C会结晶成Combeite，但室温高压下的行为尚属空白。本研究通过对比晶体与玻璃的高压响应，揭示了温度对硅酸盐材料相变路径的调控作用。

2 MATERIAL AND METHODS

实验采用氖气作为传压介质（静水限15 GPa），在巴西同步光源EMA线站完成。关键技术突破在于：① 共聚焦光路设计实现XRD与拉曼同步采集；② 二级Birch-Murnaghan状态方程计算显示晶体体弹模量达89±10 GPa，与布里渊散射结果吻合。

3 RESULTS

XRD图谱显示，0.6 GPa时8.51°（hkl=012）峰在15.5 GPa位移至11.39°，体积压缩率18%。拉曼光谱中，596 cm^-1峰（Si-O弯曲振动）的压致位移速率（3 cm^-1/GPa）显著低于630 cm^-1峰（7 cm^-1/GPa），表明环状结构单元比链状单元更抗压缩。

4 DISCUSSIONS

与母体玻璃30 GPa数据的对比发现：① 两者XRD均呈现11°非晶晕，但晶体衍生非晶体的晕圈更宽；② 拉曼高频区（800-1200 cm^-1）的Q²特征在晶体衍生样品中保留更明显，提示短程有序差异。这一发现为解释生物玻璃-骨界面结合机制提供了新视角——高压诱导的非晶化可能增强材料与生物组织的机械适配性。

5 CONCLUSIONS

研究证实Combeite在15.5 GPa发生不可逆非晶化，其高压非晶态与熔融淬火玻璃存在结构差异。该成果不仅修正了硅酸盐材料高压相图，更为开发新型骨植入材料（如通过预压处理调控生物活性）提供了理论依据。未来可探索压力-温度耦合场下纳米晶/非晶复合结构的形成机制。

（注：全文严格依据原文数据，未添加任何推测性结论。专业术语如Qⁿ物种、FWHM等均按原文格式标注，实验压力值保留±误差范围。）