КАМЕРА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЗАГРУЗКИ ЯЧЕЕК ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С АЛМАЗНЫМИ НАКОВАЛЬНЯМИ НИЗКОКИПЯЩИМИ ЖИДКОСТЯМИ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к лабораторному оборудованию и может быть использована для работы с жидкостями с низкой температурой кипения.
В последние годы интерес кристаллографов привлекает изучение молекулярных кристаллов, большинство из которых перспективны в качестве биомиметиков, активных фармацевтических ингредиентов и новых материалов для различных приложений (см. в качестве последних примеров обзоры: Katrusiak, А. (2010). High Pressure Crystallography, edited by E.Boldyreva & P.Dera, pp.193-202. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers; Byrne, P.J., Richardson, P.J., Chang, J., Kusmartseva, A.F., Allan, D.R., Jones, A.C., Kamenev, K.V., Tasker, P.A. & Parsons, S. (2012). Chemistry - A European Journal. 18, 7738-7748; Prescimone, A., Morien, C, Allan, D., Schlueter, J.A., Tozer, S.W., Manson, J.L., Parsons, S., Brechin, E.K. & Hill, S. (2012). Angew. Chem. Int. Ed. 51, 7490-7494.). Систематические исследования влияния давления на твердые образцы в различных передающих давление средах становятся популярными, например, для скрининга новых лекарственных форм (Fabbiani, F.P.A., Allan, D.R., David, W.I.F., Davidson, A.J., Lennie, A.R., Parsons, S., Pulham, C.R. & Warren, J.E. (2007). Cryst. Growth Des. 7, 1115-1124.), или для изучения динамики MOFs (Graham, A.J., Allan, D.R., Muszkiewicz, A., Morrison, C.A. & Moggach, S.A. (2011). Angew. Chem. Int. Ed. 50, 11138-11141.).
Во многих работах в качестве передающей давление среды используются газы (например Не, Ne, Аr, N2), которые инертны по отношению к органическим образцам (если они не являются соединениями типа гость-хозяин) и могут обеспечить необходимые условия гидростатического давления до десятков ГПа (Klotz, S., Chervin, J.-C, Munsch, P. & Le Marchand, G. (2009). J. Phys. D. 42, art. no. 075413.). Тем не менее, загрузка ячеек газом требует специального громоздкого оборудования, дополнительного квалифицированного персонала и может быть выполнена не в каждой лаборатории высоких давлений. В свою очередь, криогенные загрузки газом нельзя применять для ряда соединений в связи с их способностью к фазовым переходам при глубоком охлаждении.
Несколько видов различных жидких сред, пригодных для создания необходимого давления, широко применяются в настоящее время. Широко используются такие жидкости, как смесь глицерин-вода, фторинерт, масло "дафне-7474", н-пентан с 2-метилбутаном (1:1) (Klotz, S., Chervin, J.-C., Munsch, P. & Le Marchand, G. (2009). J. Phys. D. 42, art. no. 075413. Klotz, S., Paumier, L., Le March, G. & Munsch, P. (2009). High Press. Res. 29, 649-652. Klotz, S., Takemura, K., Strässle, T. & Hansen, T. (2012). J. Phys. Condens. Matter. 24, art. no. 325103.) и некоторые другие. Во многих случаях при изучении кристаллов под давлением, последние не кристаллизуются из жидкости, в которую они были погружены, in situ, а помещаются в нее уже в твердом виде. Это предъявляет особые требования к передающей давление среде (т.е. кристалл не должен растворяться в жидкости и взаимодействовать с ней химически). Хорошим вариантом жидкости для создания гидростатических давлений является смесь метанола и этанола (4:1) (давление затвердевания от 10 до 17 ГПа в зависимости от температуры и содержания воды), но многие вещества, с которыми приходится работать современному исследователю, в ней растворимы. Альтернативные жидкости, например, такие как глицерин и изопропанол, которые не требовательны к точному соблюдению внешних условий (температуры), не позволяют достичь максимально возможных давлений ввиду низкого предела гидростатичности.
Смесь н-пентана с 2-метилбутаном (1:1) является одной из лучших неполярных передающих давление сред. Предел гидростатичности - 7,4 ГПа (Klotz, S., Chervin, J.-C., Munsch, P. & Le Marchand, G. (2009). J. Phys. D. 42, art. no. 075413.), что значительно выше, чем может быть достигнуто с многими другими жидкостями. Эта среда является инертной по отношению ко многим объектам, но основным недостатком этой среды является низкая температура кипения данной жидкости (36°С для смесей н-пентана и 28°С для 2-метилбутана), что требует значительно более низких температур при загрузке ячейки, чем те, которые имеются в лабораториях. Одним из путей выхода является загрузка ячейки с алмазными наковальнями в специальной холодной комнате, или на открытом воздухе при низких температурах, но эти варианты не являются доступными для большинства лабораторий.
Задача полезной модели - создание новой конструкции устройства для загрузки алмазных наковален при изучении кристаллов с применением среды, передающей давление, с низкой температурой кипения, которое было бы достаточно компактным, чтобы быть размещенным на обычном столе в лаборатории, не требовало никакого специального или дорогостоящего оборудования и могло быть легко воспроизведено в любой лаборатории высокого давления с использованием только легкодоступных материалов.
Поставленная задача решена созданием камеры, содержащей корпус и плотно прилегающую съемную крышку. Для лучшей стабилизации температуры внутри камеры на дно помещена латунная пластина, предназначенная также для размещения на ней ячейки высокого давления. К пластине присоединен зонд термометра с термопарой, при этом в корпусе сделано соответствующее отверстие для вывода шкалы термометра, на дне камеры размещен также открытый цилиндрический стальной сосуд для хладагента.
Описание устройства поясняется рисунком 1, где: 1 - корпус камеры, 2 - крышка камеры, 3 - латунная пластина, 4 - термометр, 5 - сосуд для хладагента.
Камера используется следующим образом. В камеру помещают ячейку высокого давления с алмазными наковальнями, подготовленную к загрузке и шприц с жидкостью, после чего сосуд (5) наполняют хладагентом и камеру закрывают крышкой. При необходимости хладагент добавляют по мере его испарения. Когда температура латунной пластины достигнет требуемого значения, крышку камеры сдвигают, открывая окно для доступа к наковальне, после чего с помощью шприца с жидкостью производят загрузку, т.е. введение передающей давление жидкости в рабочую зону наковальни, где размещен изучаемый кристалл в зоне низкой температуры и влажности, приводят ячейку в рабочее состояние и вынимают из камеры.
3
3
В конкретном исполнении корпус камеры (1) был изготовлен из пенопласта толщиной 30 мм. Габаритные размеры корпуса составляли 500×320×120 мм. В корпусе в соответствующем месте просверлено отверстие диаметром 4 мм. для термочувствительного зонда термометра с термопарой. Крышка камеры (2) изготовлена из цельного фрагмента пенополистирола размером 500×320×50 мм. Для лучшей стабилизации температуры внутри камеры, внутрь была помещена латунная пластина (3) размером 300×150×15 мм., имеющая 4 мм отверстие для зонда термометра, как и в корпусе камеры. Для измерения температуры использовался электронный термометр (4) фирмы Thermometerfabriken Viking АВ, Sweden, с интервалом измерения температуры от -50 до +300°С и водонепроницаемым нержавеющим зондом длиной 193 мм. Открытый цилиндрический стальной сосуд (5) для хладагента (жидкого азота) имел диаметр 100 мм. и глубину 25 мм., и помещался на дно камеры рядом с латунной пластиной.
В качестве объектов для отработки методики загрузки в ячейки высокого давления были использованы образцы: моногидрата гидрооксалата DL-аланиния, дигидрата оксалата бис-DL-сериния, смешанного кристалла глицина с глутаровой кислотой. В качестве среды, передающей высокое давление, использовалась смесь н-пентана и 2-метилбутана в пропорции 1:1, в качестве хладагента использовался жидкий азот. Температура, при которой производилась загрузка ячейки составляла примерно - 35°С