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铁合金|刷新认知！地核可能是超离子态

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■采访人员 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 。
【铁合金|刷新认知！地核可能是超离子态】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 。

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