近20年，現(xiàn)代地球科學(xué)面臨兩個(gè)重大的變革：從“平衡、封閉、靜態(tài)”轉(zhuǎn)向“非平衡、開(kāi)放、動(dòng)力學(xué)”研究；由地表樣品的“冷鑒定”轉(zhuǎn)向“高溫高壓原位”直接觀測(cè)，認(rèn)識(shí)地球深內(nèi)部。當(dāng)前，探索地球內(nèi)部物質(zhì)和極端條件下物質(zhì)性質(zhì)奧秘是一個(gè)處于重要發(fā)展時(shí)刻的新領(lǐng)域。地球地殼以下的物質(zhì)多處于高溫高壓、流動(dòng)、非平衡的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。為探索極端條件下物質(zhì)性質(zhì)，發(fā)展這一新學(xué)科領(lǐng)域，需要發(fā)明創(chuàng)造新儀器。正如，一位諾貝爾獲得者所言：沒(méi)有實(shí)驗(yàn)儀器的發(fā)明創(chuàng)造，不可能有真正的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。值得注意的是許多國(guó)際著名實(shí)驗(yàn)室都在自己研制實(shí)驗(yàn)裝置。

　　為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)科學(xué)觀念轉(zhuǎn)變，1992年起我們開(kāi)始自籌經(jīng)費(fèi)研制儀器，發(fā)展高溫高壓流體和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)新領(lǐng)域。到1996年已經(jīng)研制成功新型超臨界流體裝置和安置了3支傳感器的高壓釜。2001年后，有了“863”項(xiàng)目支持。

　　20多年來(lái)我們不斷研制發(fā)明各種高溫高壓開(kāi)放流動(dòng)體系反應(yīng)裝置、相分離裝置和高溫高壓化學(xué)傳感器及檢測(cè)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。創(chuàng)造能模擬由地幔到地表?xiàng)l件的礦物與流體反應(yīng)裝置，開(kāi)創(chuàng)了地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)新領(lǐng)域。同時(shí)，發(fā)展了高溫高壓原位直測(cè)裝置，研制了有窗口反應(yīng)腔，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高溫高壓下物質(zhì)的原位譜學(xué)直接測(cè)量。

　　國(guó)際科學(xué)界關(guān)于高溫高壓下原位直測(cè)方法有兩大方向：高溫高壓傳感器（尤其化學(xué)傳感器）和高壓高溫的窗口觀測(cè)。我們?cè)谶@兩方面均作出了很有意義的發(fā)明，并且發(fā)明了高溫高壓流體和流動(dòng)反應(yīng)原位觀測(cè)裝置、方法和整合技術(shù)。已經(jīng)獲得6項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，2項(xiàng)實(shí)用新型專利，另申請(qǐng)一項(xiàng)美國(guó)發(fā)明專利（已經(jīng)受理），另外還有許多儀器方法發(fā)明沒(méi)有申報(bào)專利。發(fā)明儀器帶來(lái)了新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，使整體的極端條件實(shí)驗(yàn)和理論研究取得重大進(jìn)展。艱苦創(chuàng)業(yè)，建立了我國(guó)第一個(gè)地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室和高溫高壓流體實(shí)驗(yàn)室。

　　一、高溫高壓原位直測(cè)

　　發(fā)明新的高溫高壓化學(xué)傳感器

　　我們發(fā)明的化學(xué)傳感器適于0~400 ，40MPa（更高溫壓）原位測(cè)量流體的酸度、氫濃度、硫化氫。氧化還原電位（pH，H2，H22S，Eh ）等參數(shù)。包括，1）由Zr/ZrO2電極為核心組成集成化高溫高壓化學(xué)傳感器。Zr/ZrO2電極是國(guó)際第一次作為高溫高壓傳感器使用。Zr/ZrO2電極結(jié)構(gòu)新穎；2）pH化學(xué)傳感器：用Zr/ZrO2做測(cè)量電極。Ag/AgCl為參比電極，它是由硅酸鹽水泥-Ag/AgCl-水泥的三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，一次加熱成型新工藝。3）金電極的H2化學(xué)傳感器：發(fā)明金電極新制備方法，把金絲燒結(jié)石英棒內(nèi)，電極露在外面。其結(jié)構(gòu)耐高溫600 。還可做Eh化學(xué)傳感器。優(yōu)于國(guó)際界鉑電極，鉑與含硫溶液接觸易形成硫化物。4）H2S化學(xué)傳感器：電極是電極水泥- Ag /Ag2S -水泥的三層結(jié)構(gòu)，也是一次燒結(jié)新工藝（授權(quán)號(hào)CN 100419416C；CN 100507543C；CN 100575940C；CN 100575941C）

　　這些傳感器發(fā)明難點(diǎn)是新制作工藝。它們都可在大溫度壓力范圍連續(xù)使用，體積小，穩(wěn)定性好，高壓密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。密封結(jié)構(gòu)耐高壓高溫，適于直接投入極端環(huán)境下使用。這些是國(guó)際傳感器發(fā)展的新方向。如Zr/ZrO2電極，在0~400 下（或更高溫度壓力）連續(xù)使用，鋯具化學(xué)穩(wěn)定性，使用壽命長(zhǎng)。國(guó)際使用陶瓷YSZ/HgO/Hg傳感器（YSZ是含釔的氧化鋯陶瓷，管內(nèi)裝HgO/Hg）做測(cè)量電極，體積大，低于200 時(shí)不靈敏。密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有外加冷水套等，不適于直接投放。國(guó)際使用的其他電極也多以陶瓷管為基礎(chǔ)，同樣有體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等弱點(diǎn)。

　　我們還發(fā)明了兩類高溫高壓化學(xué)傳感器檢測(cè)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。檢測(cè)標(biāo)定高溫高壓含氣的流體pH，H2，H2S，Eh的傳感器。有安置2~5支不同類型電極高壓釜，可以有氣體和液體兩種輸入裝置，隔絕空氣的取樣裝置。多道數(shù)據(jù)采集，全部計(jì)算機(jī)控制（授權(quán)號(hào)CN 100412539C）。

　　發(fā)明有高溫高壓窗口反應(yīng)腔

　　可以在高溫高壓下通過(guò)窗口觀測(cè)反應(yīng)，結(jié)合多種譜儀原位直測(cè)，獲得各種不同類型譜信息。目的是獲得高溫高壓下物質(zhì)的各種譜的信息，然后認(rèn)識(shí)高溫下的物種和物質(zhì)結(jié)構(gòu)。發(fā)明了高溫高壓窗口的反應(yīng)腔連接紫外可見(jiàn)譜儀。儀器體積很小，置入紫外可見(jiàn)譜儀。再接流動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)石英窗口在500 50MPa下可準(zhǔn)確測(cè)量流體成分，溫度和壓力（CN 100392375C）。相反，國(guó)際市場(chǎng)的產(chǎn)品的高壓窗口光學(xué)池只能測(cè)溫度、譜圖。多為 100 的密封腔，不能測(cè)量反應(yīng)腔內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)。

　　我們還使用石英光纖，把可加熱的金剛石壓砧與紫外可見(jiàn)譜儀連接。能夠在超高壓高溫下測(cè)量流體的紫外可見(jiàn)譜。

　　二、高溫高壓反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和原位觀測(cè)整合方法

　　我們研制了500 、40~60MPa或更高溫壓下運(yùn)行的流動(dòng)反應(yīng)裝置。包括：安置高溫高壓化學(xué)傳感器的高壓釜和流動(dòng)反應(yīng)裝置；有觀察窗口反應(yīng)器的多元?dú)庖夯旌铣�臨界流體反應(yīng)，相分離裝置；實(shí)現(xiàn)了有高溫高壓化學(xué)傳感器，又有高溫高壓窗口觀測(cè)和譜儀連接的流動(dòng)反應(yīng)裝置整合技術(shù)（CN 100412539C；CN 2294095；CN 2623314）

　　如果只有傳感器，可獲得高溫高壓反應(yīng)器里流體的電化學(xué)參數(shù)（如pH，H2，H2S，Eh 等）。但是，高溫高壓下反應(yīng)后的流體是什么物種？不知道�，F(xiàn)在，同時(shí)在反應(yīng)釜安置窗口，可獲得高壓高溫流體的紫外 可見(jiàn) 紅外譜圖。于是，可以全面認(rèn)識(shí)極端條件下的流體化學(xué)參數(shù)、物種及分子譜和電子譜結(jié)構(gòu)。解決了高溫高壓反應(yīng)過(guò)程中無(wú)法連續(xù)原位檢測(cè)、不知道中間產(chǎn)物的技術(shù)難題。對(duì)于地球深部資源能源探測(cè)問(wèn)題，極端條件下過(guò)程分析化學(xué)，材料研制，水熱合成等都是重大突破。

　　三、發(fā)明儀器推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步

　　國(guó)際刊物《分析化學(xué)》，《材料科學(xué)通信》，《材料科學(xué)》，《火山地?zé)帷返榷啻伟l(fā)表論文介紹我們的高溫高壓化學(xué)傳感器和高壓儀器使用及其相關(guān)的研究成果。在《分析化學(xué)》（影響因子5.7）發(fā)表文章2篇。其內(nèi)容論述了Zr/ZrO2電極、H2的金電極傳感器的制作新方法，結(jié)構(gòu)，高溫高壓標(biāo)定方法數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明：高溫高壓下傳感器的毫伏測(cè)量響應(yīng)與流體的氫離子濃度，氫氣濃度有很好的線性關(guān)系，與理論預(yù)測(cè)完全一致。并且，Zr/ZrO2電極的ZrO2是一個(gè)納米膜。發(fā)現(xiàn)納米膜結(jié)構(gòu)的氧含量分層。結(jié)晶好、緊密的富氧的ZrO2納米膜決定了傳感器電化學(xué)穩(wěn)定性。

　　發(fā)明新的傳感器之后，2004年6月和12月，我們自行研制的具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型集成化高溫高壓傳感器裝置，兩次搭載“大洋一號(hào)”在我國(guó)南海3100多米深海試驗(yàn)成功，獲得深�；瘜W(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)。

　　發(fā)明的儀器促進(jìn)了新科學(xué)發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)造了高溫高壓新數(shù)據(jù)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)礦物與流體反應(yīng)在臨界區(qū)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)漲落。直接觀測(cè)發(fā)現(xiàn)高溫高壓流體在臨界區(qū)的鍵態(tài)變化，如氫鍵減弱和網(wǎng)絡(luò)破壞。在國(guó)外很少報(bào)道高溫（大于300 ）高壓礦物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，較少與水如氫鍵性質(zhì)聯(lián)系。

　　多年來(lái)我們堅(jiān)持發(fā)明研制儀器，推動(dòng)地球科學(xué)新領(lǐng)域發(fā)展，使它走向精確化和定量化的研究，并且促進(jìn)了地球深部資源能源探測(cè)技術(shù)進(jìn)步。實(shí)現(xiàn)高溫高壓流體和流動(dòng)反應(yīng)原位監(jiān)測(cè)，還適用于深部鉆孔，石油井，地?zé)崽讲�，熱電站，深海，高溫高壓化工過(guò)程的監(jiān)測(cè)，高溫材料合成，生物工程，極端條件下微生物，環(huán)境工程，食品加工等各類高溫高壓過(guò)程直接觀測(cè)，有力地促進(jìn)了國(guó)家尖端技術(shù)、核心技術(shù)、高新技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展。（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所研究員 張榮華）