約30年前，理論預測水（H2O）在極端高溫高壓條件會進入一種介于固態(tài)冰與液態(tài)水之間的新形態(tài)——超離子態(tài)。這種形態(tài)下水分子中的氫原子（H）會脫離晶格的束縛而在固體氧原子（O）晶格中像液體一樣自由擴散，從而導致導電能力大幅度增加，使固態(tài)冰由絕緣體向?qū)w轉(zhuǎn)變。這種理論預測的“超離子態(tài)冰”直到2018年才被科學家采用光導率測量的實驗方法在動態(tài)激光加載下證實。水的超離子態(tài)對以水為重要組成物質(zhì)的大質(zhì)量行星，如天王星和海王星，有著深遠的影響，可以解釋這些含水星體的電導率異常和磁場偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

地球表面覆蓋著大面積的水，然而地球內(nèi)部不存在或含有極少量的自由水（冰），尤其在下地幔深部水是以羥基氫氧根（OH-）形式賦存在礦物中。不同于超離子冰中的固體氧晶格，下地幔礦物主要由鎂（Mg）、鐵（Fe）、硅（Si）和氧等原子組成晶格。在地球內(nèi)部高溫高壓環(huán)境下，氫原子能否像在氧晶格中一樣在復雜的含水礦物晶格中自由流動而形成超離子態(tài)？這對于理解地球內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)、熱量傳導、磁場狀態(tài)、電場狀態(tài)和氫元素的循環(huán)等具有非常重要的影響。

北京高壓科學研究中心的胡清揚、Duckyoung Kim和劉錦研究員帶領(lǐng)的研究團隊使用理論計算和實驗相結(jié)合的方法首次發(fā)現(xiàn)了地球深部的超離子態(tài)——含水礦物羥基氧化鐵(FeO2H)會在壓力大約75萬大氣壓，溫度高于1500攝氏度的條件時進入超離子態(tài)。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)工作以“Superionic iron oxide-hydroxide in Earth’s deep mantle”為題發(fā)表于近期的Nature Geosciences上。

圖示：深下地幔高導電的超離子態(tài)。

2016年北京高壓科學研究中心的胡清揚研究員發(fā)現(xiàn)了黃鐵礦結(jié)構(gòu)的二氧化鐵FeO2（Fe的價態(tài)為+2價），而相同結(jié)構(gòu)的FeO2H可以理解為以FeO2結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的含水礦物（Nature, 2016）。2017年劉錦研究員發(fā)現(xiàn)FeO2H可能在核幔邊界富集，并形成超低地震波波速帶（Nature，2017）。DuckyoungKim研究員通過理論模擬預測發(fā)現(xiàn)了FeO2H中的氫在高溫下具有很強的流動性，能部分掙脫氧的束縛，形成一種介于FeO2和FeO2H的混合形態(tài)，該結(jié)果近年來發(fā)表于PNAS，JACS、NSR、Geoscience Frontiers等期刊上。

FeO2H中的氫具有的流動性是其進入超離子態(tài)的雛形，為了進一步研究FeO2H是否能產(chǎn)生超離子態(tài)，在北京高壓科學研究中心毛河光院士的指導下，該團隊進行了一系列的原位高溫高壓實驗測量和理論計算。

拉曼光譜測量表明O-H鍵的拉曼峰會在壓力高于73萬大氣壓的條件下向低波數(shù)移動?！巴ǔＧ闆r下，同一個拉曼峰在壓力作用下由于原子間距離的縮減而向高波數(shù)移動。此處拉曼峰的藍移預示著O-H鍵的強度減弱，這一實驗結(jié)果與理論計算的結(jié)果相符。O-H鍵在高壓下逐漸減弱，會形成局域性的自由擴散，”何宇博士談到，“理論預測高壓下當溫度升高到1400攝氏度或更高，質(zhì)子能完全脫離氧原子的束縛，發(fā)生快速擴散，其擴散系數(shù)高達10-8-10-7平方米每秒，可與液體分子運動類比，這完全符合超離子態(tài)的定義。”

該研究團隊預測在超離子態(tài)下自由移動的氫離子會導致FeO2Hx的電導率在相變點突然增加?！拔覀冊诮饎偸瘔赫鑳?nèi)設(shè)計了四電極的范德堡測量方法，實現(xiàn)了高溫高壓下材料的電導率測量。在100-121萬大氣壓下，當FeO2Hx被加熱到1500-1700攝氏度時其電導率增大了兩倍，”侯明強博士介紹說，“高溫促使氫離子像自由電子一樣在的FeO2晶格中自由移動，從而使電導率急劇增加。電導率的突變是超離子態(tài)最直接最強有力的證據(jù)?！?/p>

“這是地幔深部第一個發(fā)現(xiàn)的超離子態(tài)含水礦物。傳統(tǒng)上認為受制于固體相的高粘性，地幔對流是很慢的，時常需要以萬年甚至百萬年為單位研究地幔內(nèi)部的活動。超離子態(tài)氫類似于液體，在高溫下能進行高速擴散運動。它不但能夠快速傳遞熱能，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，對地球內(nèi)部的物質(zhì)和能量循環(huán)的認識將是一個顛覆性的工作?！北本└邏嚎茖W研究中心主任毛河光院士點評道。 該論文的第一作者是侯明強博士和何宇博士，通訊作者是胡清揚研究員、劉錦研究員和Duckyoung Kim研究員。此工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和騰訊基金會等項目的支持。

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