固體所等通過極端條件物質研究更新對地幔物質的認識

2020-12-05 中國科學院

　　近期，中科院合肥物質科學研究院固體物理研究所亞歷山大·岡察洛夫（Alexander Goncharov）研究團隊與合作者一起，在研究行星深層內部碳氫化合物流體的研究中取得重要進展：他們模擬行星深層內部條件下碳氫化合物的演化，研究結果更新了人們先前源於地表條件實驗數據的對地幔物質的認識。相關結果發表在近期出版的《自然》子刊（Nature Communication 4, 2446 2013)上。

　　碳氫化合物是人類賴以生存的化石能源的主要成分，但資源日漸枯竭已經成為影響人類生存環境的重要問題。在地球內部高溫高壓條件下研究碳－氫反應相圖有助於科學家理解包括地球在內的行星深層內部所發生的化學反應過程，為人類合成以乃至尋找天然能源替代品提供指導。

　　固體所研究人員對在金剛石壓腔的樣品採用電阻加熱和雷射加熱兩種方法，獲得了最簡單的碳氫化合物－甲烷在溫度範圍高達3000K和壓力高達80GPa極端條件的行為，利用光譜測量建立了甲烷的溫度－壓力熔化曲線和化學反應活性，得以模擬行星深層內部條件下碳氫化合物的演化。研究發現，甲烷的熔點甚至低於水和氨的熔化溫度，在行星深層內部很可能沒有固態甲烷存在。溫度高於1200K時，甲烷的化學反應活性增強，開始分解出氫分子和元素碳，同時當壓力達到25GPa時，易形成重質烷烴和不飽和烴，在下地幔區甲烷的含量可能很少。甲烷所表現出來的反應活性也對地球深部金剛石的形成起著重要作用。這些結果更新了人們先前源於地表條件實驗數據的對地幔物質的認識，因此也有理由認為需要藉助新的實驗數據來重新評價天王星和海王星的物理模型。

　　固體所的極端條件物質研究團隊自去年籌建以來已初步建起了極端條件實驗平臺。設備包括可旋轉雷射打孔裝置，多種雷射波長的低波數多光路高壓光學系統，高壓低溫光譜、輸運、磁性、介電多功能測量系統，以及配備雷射加熱裝置的高溫高壓光譜測量系統。目前可裝載氫的充氣裝置正在緊張安裝中，建成之後不僅可創造靜壓研究物質環境，更可使極具挑戰性的高壓氫及其探索氫的金屬化與超導電性的研究全部在固體所進行，為研究人員提供高壓下從樣品製備合成、成分鑑定、物理性質測量的綜合研究條件，使固體物理所在短時間內發展成為國際極端條件研究的一個重要基地。

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