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科學(xué)家重現(xiàn)地球深處的條件以觀察鐵如何應(yīng)對(duì)極端壓力

來源：cnBeta.COM 2021-11-15 21:02:48

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在我們的下方有一個(gè)固體鐵和鎳的球體，其寬度跟德克薩斯州最寬的地方一樣，它是地球的內(nèi)核。內(nèi)核的金屬所承受的壓力比我們?cè)谌粘Ｉ钪兴?jīng)歷的高約3.6億倍，溫度大概跟太陽表面一樣。值得慶幸的是，地球的行星核心是完整的。但在太空中，類似的核心會(huì)跟其他天體發(fā)生碰撞進(jìn)而導(dǎo)致核心的結(jié)晶材料迅速變形。

我們太陽系中的一些小行星是巨大的鐵質(zhì)物體，科學(xué)家懷疑它們是災(zāi)難性撞擊后的行星核心的殘留物。

測(cè)量在天體碰撞過程中或在地球核心發(fā)生的情況顯然是不太現(xiàn)實(shí)的。因此，我們對(duì)行星核心的大部分理解是基于對(duì)不太極端的溫度和壓力下的金屬的實(shí)驗(yàn)研究。但能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的研究人員現(xiàn)在首次觀察到鐵的原子結(jié)構(gòu)是如何變形以適應(yīng)來自內(nèi)核以外的壓力和溫度的壓力。

這些結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在《Physical Rreview Letters》上。

應(yīng)對(duì)壓力

我們?cè)谌粘Ｉ钪杏龅降拇蠖鄶?shù)鐵其原子排列成納米級(jí)的立方體，每個(gè)角有一個(gè)鐵原子，中心有一個(gè)鐵原子。但如果通過施加極高的壓力來擠壓這些立方體，它們就會(huì)重新排列成六邊形棱鏡，這使得原子能夠更緊密地包裹在一起。

SLAC的研究小組想看看，如果繼續(xù)對(duì)這種六邊形排列施加壓力以模仿鐵在地心或從太空返回大氣層期間發(fā)生的情況會(huì)發(fā)生什么。“我們沒有完全達(dá)到內(nèi)核條件，”研究的論文共同作者Arianna Gleason指出，“但我們達(dá)到了行星外核的條件，這真的很了不起。”Gleason是SLAC高能密度科學(xué)(HEDS)部門的科學(xué)家。

以前沒有人直接觀察過鐵在如此高的溫度和壓力下對(duì)壓力的反應(yīng)，所以研究人員不知道它將如何反應(yīng)。Gleason指出：“當(dāng)我們繼續(xù)推動(dòng)它時(shí)，鐵不知道該如何應(yīng)對(duì)這種額外的壓力。而它需要緩解這種壓力，所以它試圖找到最有效的機(jī)制來做到這一點(diǎn)。”

鐵用來處理這種額外壓力的應(yīng)對(duì)機(jī)制被稱為 “孿生(twinning)”。原子的排列向一側(cè)分流，將所有的六邊形棱鏡旋轉(zhuǎn)近90度。孿生是金屬和礦物中常見的壓力反應(yīng)--石英、方解石、鈦和鋯都經(jīng)歷過孿生。

“孿生使鐵具有令人難以置信的強(qiáng)度--比我們最初想象的要強(qiáng)--在它開始以更長(zhǎng)的時(shí)間尺度進(jìn)行塑性流動(dòng)之前，”Gleason說道。

兩種激光器的故事

據(jù)了解，要達(dá)到這些極端條件需要兩種類型的激光器。第一種是光學(xué)激光器，它產(chǎn)生的沖擊波將鐵樣品置于極高的溫度和壓力下；第二種是SLAC的線性加速器相關(guān)光源(LCLS)的X射線自由電子激光器，它使研究人員能在原子水平上觀察鐵。來自法國里爾大學(xué)的論文第一作者Sébastien Merkel指出：“在當(dāng)時(shí)，LCLS是世界上唯一可以做到這一點(diǎn)的設(shè)施。它一直是世界上其他類似設(shè)施的開路先鋒。”

該團(tuán)隊(duì)向一個(gè)約人的頭發(fā)絲寬度的微小鐵樣品發(fā)射了兩道激光，然后用熱和壓力的沖擊波擊中了鐵。“控制室就在實(shí)驗(yàn)室的上方，，當(dāng)你觸發(fā)放電時(shí)會(huì)聽到一聲巨大的爆響，”Merkel說道。

當(dāng)沖擊波擊中鐵時(shí)，研究人員使用X射線激光來觀察沖擊如何改變鐵原子的排列。“我們能在十億分之一秒內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，”Gleason說道，“在那一納秒內(nèi)將原子凍結(jié)在哪里，真的很令人興奮。”

研究人員收集了這些圖像并將它們拼接成一本顯示鐵變形的翻頁書。在實(shí)驗(yàn)完成之前，他們不知道鐵的反應(yīng)是否太快以至于他們無法測(cè)量或太慢他們永遠(yuǎn)無法看到。Merkel說道。“在我們可以測(cè)量的時(shí)間尺度上發(fā)生孿生的事實(shí)，本身就是一個(gè)重要的結(jié)果。”

未來是光明的

這個(gè)實(shí)驗(yàn)是理解鐵的行為的一個(gè)書架?？茖W(xué)家們已經(jīng)收集了關(guān)于鐵在較低溫度和壓力下的結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并將其用于模擬鐵在極高溫度和壓力下的行為，但從來沒有人通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試這些模型。

“現(xiàn)在我們可以對(duì)一些真正基本的變形機(jī)制的物理模型豎起大拇指，豎起小拇指，”Gleason說道，“這有助于建立我們所缺乏的一些預(yù)測(cè)能力以模擬材料在極端條件下的反應(yīng)。”

這項(xiàng)研究為鐵在極端高溫和高壓下的結(jié)構(gòu)特性提供了令人興奮的見解。與此同時(shí)，這些結(jié)果還是一個(gè)有希望的指標(biāo)，即這些方法也可以幫助科學(xué)家了解其他材料在極端條件下的表現(xiàn)。

Gleason說道：“現(xiàn)在我們已經(jīng)開發(fā)出一種方法來進(jìn)行這些測(cè)量，未來是光明的。作為L(zhǎng)CLS-II項(xiàng)目的一部分，最近的X射線起伏器升級(jí)允許更高的X射線能量--使得對(duì)更厚的合金和對(duì)稱性更低、X射線指紋更復(fù)雜的材料的研究成為可能。”

這次升級(jí)還將使研究人員能夠觀察更大的樣品，這將使他們更全面地了解鐵的原子行為并改善他們的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。另外，“我們將獲得更強(qiáng)大的光學(xué)激光器并獲準(zhǔn)著手建造一個(gè)新的旗艦級(jí)petawatt激光設(shè)施，被稱為MEC-U，”Gleason指出，“這將使未來的工作更加令人興奮，因?yàn)槲覀儗⒛芎翢o問題地進(jìn)入地球內(nèi)部的核心條件。”

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