地球核心超離子态物質研究獲進展丨《自然》

超離子态介于固态和液态之間，在超離子态物質中一部分離子如液體一般快速運動，而另一部分離子如“骨架”一般固定在物質結構中。1988年，人們預測冰在高溫高壓下會轉變成超離子态。超離子态冰電導率接近金屬，可能存在于天王星和海王星内部并對其磁場産生影響。超離子态是地球和行星科學研究中的新物态，因特殊的性質引起了廣泛關注。

中國科學院地球化學研究所地球内部物質高溫高壓重點實驗室研究員李和平、何宇團隊，與北京高壓科學中心團隊合作，在地球核心的溫度和壓力下，對多種鐵合金的性質進行了計算模拟。研究發現六方相鐵-氫，鐵-碳和鐵-氧合金在核心溫壓下轉變為超離子态，表明地球核心并非傳統認知的固态，而是由固态鐵和流動的輕元素組成的超離子态。2月10日，相關研究成果線上發表在《自然》（Nature）上 。

地球核心處于極端的高溫高壓狀态，而基于密度泛函理論的第一性原理分子動力學方法是模拟地球深部物質狀态和性質的重要研究手段。科研團隊利用這一方法，在地核溫壓下對上述合金進行計算模拟，基于以往研究成果，所選取的模型中氫、碳和氧的含量分别為0.45 wt%、1.33 wt%和1.75 wt%（對應分子式為FeH0.25、FeC0.0625、 FeO0.0625）。研究顯示，上述合金在溫度升高至2500-3000 K時轉變為超離子态，在超離子态合金中，氫、碳、氧離子在鐵“骨架”結構的間隙中快速擴散，表現出流體的特征。針對計算模拟中易獲得過熱态，即計算模型在熔點之上仍保持固态，該團隊運用固-液共存法對上述合金的熔點進行限制，計算得到在核心壓力下超離子态合金的熔點比純鐵低約為5500-6000 K。通過一系列溫度和壓力下的計算模拟，研究獲得了固态-超離子态-液态轉變相圖，證明了超離子态合金在核心溫壓下的穩定性。

鐵合金中碳、氫、氧離子擴散系數随着溫度增加，在核心邊界的條件下，其擴散系數在固體和熔體中幾乎不變，表明輕元素的擴散性質在内外核沒有顯著改變，因而輕元素的對流或在核心中廣泛存在。快速擴散的離子可能導緻電導率的變化，而根據計算發現超離子态鐵合金離子電導率相較于電子電導率低了2-3個數量級，因而由超離子态轉變導緻的電導率變化幾乎可忽略不計。

研究團隊對超離子态合金的彈性性質和地震波速進行了模拟計算，該方法充分考慮離子擴散和晶格的非諧振動，适用于超離子态體系。研究發現，超離子态轉變導緻合金加速軟化，引起地震波速顯著降低，其數值能夠與地震學的觀測結果很好符合。模拟結果表明，流動的輕元素雜質可以引起鐵合金的軟化，特别是橫波波速的降低解釋了核心軟化之謎。

地震學研究顯示，核心結構展現出複雜的異質性和各向異性特征，并存在地震波衰減和結構變化等特性。剖析上述未解之謎，是認知核心結構、組成和演化的關鍵。超離子态核心，更新了關于核心狀态的認知，流體一般運動的輕元素為認識核心對流、各向異性結構與形成、地球核心結構與地磁場之間的關系等提供了新線索。

研究工作得到中科院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金、中科院青年創新促進會的資助。

地球核心超離子态物質研究獲進展

來源：中國科學院地球化學研究所