物质的第一到第五态(刷新认知地核可能是超离子态)

Posted 2023-06-02

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物质的第一到第五态(刷新认知地核可能是超离子态)

■记者高雅丽

波涛汹涌的大海、摄人心魄的岩浆、耀眼的电闪雷鸣、巨大的蘑菇林……在法国作家凡尔纳的《地心游记》中，地球内部是一个丰富多彩的奇幻世界。不过，科学研究表明，地核并不是凡尔纳所说的空心结构，而是一个由压缩铁合金组成的固体球。

日前，中国科学院地球化学研究所（以下简称中科院地球化学所）地球内部物质高温高压重点实验室研究员李和平、何宇与北京高压科学中心毛河光院士等在《自然》刊发论文，刷新了目前认知。考虑地球核心的温度和压力，研究团队对多种铁合金的性质进行了计算模拟，结果表明地核并非传统认知的固态，而是由固态铁和流动的轻元素组成的超离子态。

模拟“新世界”

地球形成已有约44亿～46亿年。作为地球深处最神秘的地方，地核一直吸引人类对其不断探索。

1936年，通过观测分析地震纵波穿过地核时形成的影区，科学家首次发现了地核的存在。根据对纵波和横波数据的分析，科研人员确立了地球液态外核和固态内核的基本认知。

但地核处于极端高温高压环境下，由于观测数据匮乏，人类对地核结构和性质的认知非常有限。随着科学的进步，现在，科研人员可以在计算机中模拟高温高压的地核环境，获取相应的研究成果。

论文第一作者何宇指出，以往研究表明地核的密度比纯铁要低，有科研人员推测地核中存在某些轻元素。然而，这些轻元素在地核中的状态却很少被关注。

何宇说：“超离子态介于固态和液态之间，被认为广泛存在于地球和行星内部。在超离子态物质中，一部分离子如液体一般快速运动，而另一部分离子如‘骨架’一般固定在物质结构中。地球科学中研究超离子态转变的工作不多，基于多年经验，毛河光院士提出了一个‘大胆’的想法——地核可能存在超离子态。”

为验证这个想法，2017年开始，中科院地球化学所和北京高压科学中心团队合作，构建了一个地核的计算模拟世界。

轻元素在地核“对流”

在研究人员构建的这个模拟世界中，他们选取了地核中最稳定的六方相铁—氢、铁—碳和铁—氧合金作为计算模型，在地核温压下，这些合金转变成了超离子态。

但在这一过程中，研究团队发现，计算模型在熔点之上仍然保持固态，存在过热态现象。过热态下的计算结果将与实际情况不符，从而导致错误的结论。

为解决这个问题，团队利用“固—液共存法”对合金的熔点进行了约束，获得了固态—超离子态—液态转变相图，证实了超离子态合金在内核温压下的稳定性。

他们还观察到，在超离子态合金中，碳、氢、氧离子在铁“骨架”结构的间隙中快速扩散，表现出流体的特征。

“在内核温度下，轻元素离子在超离子态铁合金中的扩散系数与其在铁熔体中相当，这表明轻元素的扩散性质在内外核中并没有显著改变，因此轻元素的‘对流’可能在内核中广泛存在。”何宇表示。

此外，团队还利用第一性原理分子动力学方法，对超离子态合金的弹性性质和地震波速进行了模拟计算。

“地核软化之谜一直存在，地震学观察到，通过地核时，地震横波波速会显著降低。我们的模拟结果表明，流动的轻元素杂质可以引起铁合金的软化，引起地震波速显著降低，数值恰好与地震学的观测结果相符合。”何宇表示。

两年审稿“长跑”终获录用

“高温高压学科的发展、超算平台的建立，让我们的研究领先一步。比起较为顺利的研究过程，一波三折的是论文的投稿和审稿。”何宇说。

2020年7月6日凌晨2点40分，在投稿几个月后，何宇收到了编辑的第一次拒稿邮件。“我早上起来看到了邮件，内心有些沮丧。但编辑并没有‘一棍子打死’。审稿人认为，地核有超离子态是一个新的概念，需要足够强、足够充分的证据来证明。我们计算合金熔点的方法并不适用于超离子态体系，应该加以改进。”

经过反复讨论和修改，研究人员采用固—液共存法约束合金熔点，在超算平台模拟了将近2个月时间，结合文献的报道，最终推断计算模型和实际合金熔点相吻合。

他们再次完善论文，向编辑部发出了邮件。在此期间，论文预印版于2020年12月在线发布于Research Square，引起了相关领域科研人员的关注。“同行的关注和反馈，也让我们对自己的工作更有信心。”何宇表示。

然而，2021年2月25日，何宇收到了第二次拒稿邮件。“审稿人认为铁—碳合金的热力学计算没有说清楚。我们附上了计算过程，恰巧又有新的文献佐证，最终，编辑认可了新修改的文章内容。”何宇说。

7个多月的等待之后，2021年10月22日，他们收到了文章确定接收的邮件。“那一刻真的很开心，好事多磨，团队将近5年的工作终于得到了认可。”何宇感慨道。

“超离子态内核更新了我们对地核状态的认知，流体一般运动的轻元素为认识内核对流、各向异性结构的形成和地震波的衰减提供了新线索，将成为地核研究的新基石。”何宇说。

来源：中国科学报