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科學家發現斯石英一維含水通道超結構

http://www.atozguy.com 時間：2023/9/8 10:59:00 來源：礦材網點擊次數:646

　　北京高壓科學研究中心聯合中山大學、復旦大學、中國科學院地質與地球物理研究所和中國科學院廣州地球化學研究所研究團隊，在地幔深部的極端溫度和壓力條件下合成含水二氧化硅，并表征其具有一維含水通道的超精細結構，其中含水通道在高溫高壓環境下呈現超離子態特性。相關研究成果9月1日在線發表于《科學進展》。論文第一作者為北京高壓科學研究中心博士研究生李俊威，通訊作者為北京高壓科學研究中心研究員胡清揚和中山大學副教授朱升財。
　　研究團隊多年來聚焦水在二氧化硅中的賦存。研究表明，其高壓相之一的斯石英在地幔深部（如410千米以下深度）的儲水能力顯著增強，但其儲水機制仍然存在諸多爭議。由于名義無水礦物中含氫缺陷結構的復雜性及當前高溫高壓實驗和理論計算手段的局限性，在傳統實驗和計算框架下深入研究斯石英的儲水機制極具挑戰性。
　　該研究在實驗樣品表征和理論計算建模兩個方面進行了原創性探索。研究團隊首先利用機器學習的高維神經網絡勢能構建SiO2-H2O體系的高精度勢函數，并結合勢能面隨機行走算法（SSW）對含水結構進行了全勢能面的結構搜索，成功獲得含水量0.9wt%~3.6wt%斯石英的最低能量結構。研究發現，在地幔的溫度和壓力條件下，氫更傾向于占據斯石英的晶格間隙位置，形成一種新型的具有一維含氫通道的超結構。
　　研究團隊同時在接近下地幔頂部的溫度和壓力條件下合成了高質量的含水斯石英單晶，并利用二次離子質譜、拉曼光譜、紅外光譜對樣品的含水特性進行表征。名義無水礦物中氫的結構解析是技術難點，研究人員對核磁共振（NMR）激發裝置進行了針對性改造，利用Lenz磁透鏡增大通過樣品腔的磁通量，從而顯著提高NMR探針靈敏度，實現了~80μg量級的單晶樣品中氫的含量和結構表征，并證實了含水斯石英的一維水通道超結構真實存在。
　　隨后，研究團隊利用第一性原理分子動力學研究了含水斯石英在高溫高壓下的動力學行為。當溫度達到1000K時，氫原子開始擺脫O-H鍵的束縛，在一維含水通道內自由擴散，表現出類似流體的特征和極強的電導率各向異性。
　　該研究為揭示二氧化硅在地幔深部的儲水機制提供了精細的晶體結構，顛覆了人們長期以來對斯石英儲水機制的看法。斯石英的一維含水通道超結構刷新了人們對名義無水礦物中含氫缺陷結構的認知，豐富了地球深部水儲庫的存在形式，有助于解釋含水斯石英的超高熱穩定

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關鍵詞：石英

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