سلول سندان الماس
تاریخچه

مطالعه مواد در شرایط سخت، فشار زیاد و درجه حرارت بالا، از روش‌های گسترده‌ای برای دستیابی به این شرایط و بررسی رفتار مواد در حالی که در محیط سخت قرار دارند، استفاده می‌کند. پرسی ویلیامز بریدگمن، پیشگام بزرگ تحقیقات فشار بالا در نیمه اول قرن بیستم، با توسعه یک دستگاه با سندان‌های در جهات مخالف با سطح کوچک که اهرمی دو سطح را به هم فشار می‌داد، در زمینه فشارهای بالا تحولی ایجاد کرد. سندان‌ها از کاربید تنگستن (WC) ساخته شده بودند. این دستگاه می‌توانست به فشار چند گیگاپاسکال برسد و در مقاومت الکتریکی و اندازه‌گیری تراکم پذیری مورد استفاده قرار می‌گرفت. اصول سلول سندان الماس شبیه به سندان‌های Bridgman است، اما برای دستیابی به بالاترین فشار ممکن بدون شکستن سندان‌ها، آنها از سخت‌ترین مواد شناخته شده ساخته شده‌اند: یک الماس تککریستالی. اولین نمونه‌های ساخته شده در حدود فشار محدود بودند و روش قابل اطمینان برای کالیبراسیون فشار وجود نداشت.
پس از دستگاه Bridgman، سلول سندان الماس به همه‌کاره‌ترین دستگاه تولید فشار تبدیل شد که یک ویژگی واحد آن را از سایر دستگاه‌های فشار جدا می‌کند. این دستگاه به پیشگامان اولیه فشار بالا این امکان را می‌داد که به‌طور مستقیم خواص ماده تحت فشار را مشاهده کنند. تنها با استفاده از میکروسکوپ نوری، می‌توان مرزهای فاز، تغییرات رنگ و تبلور مجدد را فوراً مشاهده کرد، در حالی که پراش پرتونگاری یا طیف‌سنجی به زمان برای نمایش و توسعه فیلم عکاسی نیاز دارد. آلوین ون والکنبورگ به پتانسیل وجود سلول سندان الماس پی برد در حالی که نمونه ای را برای طیف‌سنجی IR آماده می‌کرد و هم ترازی صفحه‌های الماس را بررسی می‌کرد.
سلول الماس در دفتر ملی استاندارد (NBS) توسط چارلز ویر، الیس لیپیکوت و المر بانتینگ ساخته شد. در گروه، هر عضو روی بخش‌های مختلف سلول الماس متمرکز شد. ون بر روی مشاهدات بصری، چارلز بر XRD و الیس بر طیف‌سنجی IR متمرکز شد. این گروه قبل از شروع همکاری در خارج از جمع با محققان دانشگاه‌هایی مانند ویلیام باست و تارو تاکاهاشی در دانشگاه روچستر، همکاری داشته و هر یک بر تکنیک‌های خود کاملاً مسلط بودند.
در اولین آزمایش‌ها با استفاده از سندان الماس، نمونه بر روی نوک صاف الماس قرار گرفت و بین صفحه‌های الماس فشرده شد. هرچه صفحه‌های الماس به هم نزدیک تر می‌شدند، نمونه فشرده می‌شد و از مرکز خارج می‌شد. با استفاده از میکروسکوپ برای مشاهده نمونه، مشاهده می‌شد که یک شیب فشار هموار در سراسر نمونه وجود دارد که بیشتر قسمتهای خارجی نمونه به عنوان نوعی واشر عمل می‌کرد. نمونه به‌طور مساوی در سراسر سطح صاف الماس توزیع نشده‌است، اما به دلیل «فنجانی شدن» الماس در فشارهای بالاتر در مرکز قرار گرفته‌است. این پدیده فنجانی شدن کشش الاستیک لبه‌های صاف الماس است که معمولاً به آن «ارتفاع شانه» گفته می‌شود. بسیاری از الماس‌ها در اولین مراحل تولید یک سلول جدید شکسته شدند یا هر زمان که یک آزمایش تا فشار بالاتر جلو برده می‌شد. گروه NBS در موقعیت منحصر به فردی قرار داشت که تقریباً منبع بی پایانی از الماس در اختیار آنها قرار داشت. مأموران گمرک گاه به گاه الماس را از افرادی که قصد قاچاق آنها را به کشور داشتند، مصادره می‌کردند. دفع چنین مواد مصادره ای با توجه به قوانین و مقررات می‌تواند مشکل ساز باشد. راه حل این بود که اگر سایر آژانس‌های دولتی مورد استفاده قانع کننده ای ارائه می‌دادند، این مواد در دسترس آنها قرار می‌گرفت. این الماس‌ها به یک منبع بی رقیب تبدیل شدند زیرا سایر تیم‌های دانشگاه شیکاگو، دانشگاه هاروارد و جنرال الکتریک نیز وارد حوزه فشار بالا شدند.
طی دهه‌های بعد، سلول‌های سندان الماس به‌طور متوالی بهبود یافتند، مهمترین نوآوری‌ها استفاده از واشر و کالیبراسیون فشار یاقوت است. سلول سندان الماس به عنوان قدرتمندترین دستگاه آزمایشگاهی برای تولید فشار بالای استاتیک تکامل یافته‌است. دامنه فشار استاتیک قابل دستیابی امروز تا 640 GPa گسترش می‌یابد که بسیار بیشتر از فشارهای تخمین زده شده در مرکز زمین (360 GPa ~ 360).