氧氣是生命的關(guān)鍵物質(zhì)，是地球上最豐富的元素之一。然而，在幾乎由純鐵組成并處于極端高壓和高溫條件下的內核中，氧氣是否存在以及以何種形式存在仍然是一個(gè)未知數?，F在，科學(xué)家揭示，富含鐵的Fe-O合金在近300GPa的極端壓力和超過(guò)3000K（約5000華氏度）的高溫下是穩定的。該結果證明了氧氣可以存在于固體內核中，這為進(jìn)一步了解地核的形成過(guò)程和演化歷史提供了關(guān)鍵的制約因素。

這項研究由HPSTAR（高壓科學(xué)與技術(shù)高級研究中心）的劉進(jìn)博士和哥倫比亞大學(xué)的孫楊博士共同領(lǐng)導，最近發(fā)表在《創(chuàng )新》雜志上。

作為地球上最神秘的地方之一，地球的固體內核處于地球上最極端的溫度和壓力環(huán)境中，其壓力超過(guò)300萬(wàn)個(gè)大氣壓，溫度接近太陽(yáng)表面，約6000K（約10000華氏度）。由于內核遠非人類(lèi)所能觸及，我們只能從地震產(chǎn)生的地震信號中推斷其密度和化學(xué)成分。

目前，人們認為內核中存在輕質(zhì)元素，但其類(lèi)型和含量仍有爭議。宇宙化學(xué)和地球化學(xué)證據表明，它應該含有硫、硅、碳和氫。實(shí)驗和計算也證實(shí)，這些元素與純鐵混合，在地球深處的高溫高壓條件下形成各種鐵合金。

然而，與我們密切相關(guān)的氧，通常認為被排除在內核之外。這主要是因為在地表或地幔環(huán)境中從未發(fā)現過(guò)富含鐵成分的鐵-氧合金。所有已知的鐵氧化物中的氧含量都大于或等于50個(gè)原子百分比。盡管人們一直在試圖合成具有富鐵成分的氧化鐵化合物，但這種物質(zhì)還從未被發(fā)現。地球的內部核心是如此"缺氧"嗎？為了回答這個(gè)問(wèn)題，本研究進(jìn)行了一系列的實(shí)驗和理論計算。

為了接近地心的溫度和壓力，將純鐵和氧化鐵放在兩個(gè)鉆石砧的尖端，用高能激光束進(jìn)行加熱。經(jīng)過(guò)多次嘗試，發(fā)現在220-260GPa和3000K以上，鐵和氧化鐵之間發(fā)生了化學(xué)反應。XRD結果顯示，反應產(chǎn)物與純鐵和氧化鐵的常見(jiàn)高溫高壓結構不同。

使用遺傳算法進(jìn)行的理論晶體結構搜索證明，富鐵的Fe-O合金可以在大約200GPa下穩定存在。在這樣的條件下，新的富含鐵的Fe-O合金形成了一個(gè)六邊形的緊密堆積結構，其中氧層被安排在鐵層之間以穩定結構。這樣的機制產(chǎn)生了許多密包排列，形成了一個(gè)具有大構型熵的富含鐵的Fe-O化合物大家族。

基于這一理論信息，發(fā)現Fe28O14的原子構型與實(shí)驗測量的XRD圖案相匹配。進(jìn)一步的計算表明，富含Fe-O的相是金屬性的，與低壓下的普通鐵氧化物形成對比。電子結構取決于O的濃度以及鐵和O層的排列。該合金的機械性能和熱性能需要在未來(lái)進(jìn)一步研究。