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地心探索:突破125万个大气压
发布时间:2024-12-15
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金刚石压砧可以帮助科学家模拟出地球深处的高温、高压环境,了解地球内部的构成。Fe-布氏岩(Fe-bridgmandite)是下地幔中最常见的含铁矿物质。科学家通过一系列实验发现,当压强和温度升高至125万个大气压和3000℃时,也就是地表下2900千米处的环境时,Fe-布氏岩的结构会突然发生变化——原子排布得更加紧密。Fe-布氏岩密度的变化说明地球在这里发生了明显变化,这与前文提到的古登堡的理论相一致——地表下2900千米正是地幔和地核分界的位置。

雷曼曾通过地震波的变化提出地核是双层结构,外层铁液、内层铁芯。这个模型在当时违背了常识——温度升高时固体会熔化成液体,而地球内部的温度随深度的增加而升高,即理论上地核应该全部为液态。但是人们当时并不知道的是铁在高温高压下的熔化行为。这—研究需要科学家模拟出350万个大气压、6000℃的极端条件。2010年,希格科·塔特诺(Shigehiko Tateno)和同事在日本使用激光加热金刚石压砧的方法,实现了377万个大气压、5427℃的条件,发现铁依旧保持固态,而处于较低压力的外核的铁却会熔化,这一结果支持了雷曼的模型。

现在,先进的金刚石压砧设计可以达到超越地核压力的水平。普林斯顿大学的托马斯·达菲(Thomas Duffy)在2012年实现了创造490万个大气压的高压条件,但他遇到了新的问题:压砧中的金刚石发生了变形。

德国拜罗伊特大学的列昂尼德·多波维奇(Leonid Dubrovinsky)和娜塔莉亚·达布罗温斯卡娅(Natalia Dubrovinskaia)夫妇所在的研究小组改进了金刚石压砧的设计,解决了金刚石变形的问题。他们使用由小于50纳米的微小纳米颗粒制成的纳米金刚石,制造了两个直径约12~20微米的纳米金刚石半球。将半球平坦的一面放置在金刚石压砧上,弯曲的一面与样品接触,这样接触的面积会更小,从而大大提高了压力极限。2015年,他们利用这个方法成功实现了770万个大气压的压力水平,而且纳米金刚石在这个压力下也没有变形;一年后,他们利用更小的半球形纳米金刚石又实现了1065万个大气压的压力水平。

对高压环境的极致追求可以帮助科学家了解太阳系中其他行星的结构。比地球更大的行星,如气体巨星木星和土星,内部的压力和温度都远超过地球。这种条件下,即使是地球上最常见的气体也会改变物理状态。木星的核心温度可以达到37000℃,压力是地球的10倍,这才是真正的超级大挤压!