氫原子能否在復(fù)雜含水礦物晶格中自由流動而形成超離子態(tài)？

北京高壓科學(xué)研究中心研究員胡清揚、Duckyoung Kim和劉錦團隊利用理論計算和實驗相結(jié)合的方法，首次發(fā)現(xiàn)地球深部的含水礦物——羥基氧化鐵(FeO2H)會在約75萬個大氣壓、1500攝氏度以上時進(jìn)入超離子態(tài)，而這個溫度和壓力范圍覆蓋了下地幔深部的大部分區(qū)域。相關(guān)工作近期發(fā)表于《自然—地球科學(xué)》。

水在極端高溫高壓條件下會進(jìn)入超離子態(tài)。在地球內(nèi)部高溫高壓環(huán)境下，氫原子能否在復(fù)雜的含水礦物晶格中自由流動而形成超離子態(tài)?

研究團隊首先通過理論計算，發(fā)現(xiàn)在超離子態(tài)下，自由移動的氫離子會導(dǎo)致FeO2H的電導(dǎo)率在相變點突然增加。隨后通過高溫高壓下的電導(dǎo)率測量，發(fā)現(xiàn)在100萬~121萬個大氣壓下，當(dāng)FeO2Hx 被加熱到1500~1700攝氏度時，其電導(dǎo)率增大了兩倍。高溫促使氫離子像自由電子一樣在FeO2晶格中自由移動，從而使電導(dǎo)率急劇增加。電導(dǎo)率的突變是超離子態(tài)最直接最強有力的證據(jù)，因此研究人員認(rèn)為FeO2Hx 在此溫度壓力條件下進(jìn)入了超離子態(tài)。

FeO2H是地幔深部首個被發(fā)現(xiàn)的超離子態(tài)含水礦物。傳統(tǒng)認(rèn)為受制于固體相的高黏性，地幔對流是很慢的，地幔內(nèi)部活動通常以萬年甚至百萬年為單位。超離子態(tài)氫類似于液體，在高溫下能進(jìn)行高速擴散運動。它不但能快速傳遞熱能，同時由于氫具有質(zhì)量，因而也是物質(zhì)傳輸?shù)妮d體。這一發(fā)現(xiàn)將使得地幔對流速率比以往提升數(shù)個數(shù)量級，并對于地球內(nèi)部的物質(zhì)和能量循環(huán)產(chǎn)生巨大改變。(記者閆潔)

關(guān)鍵詞： 氫原子 超離子態(tài)