在我们脚下约6000公里的地球深处，隐藏着蓝色星球上最遥远最神秘的区域——地心内核，其大小接近于月球，处于地球最极端温度和压力环境中，有着超过三百万大气压与接近太阳表面约6000℃的高温。

这种极端的环境已经远超人类可触及的范围，我们只能通过地震产生的震波信号来推测地心的密度与化学成分。目前认为，内核中约90%的成分为铁和少量镍，然而剩余的轻元素的种类和含量却一直没有定论。综合地球内部的形成过程，认为这些轻元素应含有地球上常见的硫、硅、碳和氢。当前，模拟实验已经确认，在地球深部高温高压条件下这些元素会与纯铁混合形成各类铁合金。

然而，与人类密切相关的氧元素，却一直未被深入研究，认为内核不含氧或微乎其微。这主要是由于在地表和地幔的环境下，从未发现有富铁组分下的铁氧合金。所有已知的氧化铁中的氧原子含量都不少于50%。长期以来人们一直在尝试合成富铁组分下的铁氧化合物，却始终未能实现。难道地球内核里真的这么“缺氧”吗？

为回答这一问题，研究人员将纯铁与氧化铁放置在两颗致密金刚石的尖端，并利用高能量激光对其加热，实现了地球核心的温度与压强。通过反复尝试，发现在超过220−260万大气压和3000摄氏度以上的环境下，铁与氧化铁会发生新型超高压化学反应。通过X射线衍射技术，证实了超高压化学反应产物不同于常见的纯铁和氧化铁高温高压结构（图2）。利用晶体结构搜索，研究人员从理论上同步证明了在超过200万大气压的条件下，富铁组分的铁氧合金可以稳定存在，并发现在地核温压条件下，纯铁与氧化亚铁均形成六方密堆积结构。

进一步研究发现，组分介于纯铁与氧化亚铁之间的铁氧合金，亦形成了类似的密堆积结构，并奇妙地将氧原子排列成单原子层状结构穿插在铁原子层中，从而使其结构稳定（图3）。由于这样的机制，铁氧合金家族中可以形成大量密堆积排列方式，有着极大的位形熵。因此，这种物质可稳定于地核极端高温环境。基于这些发现，研究人员找到了一种Fe₂₈O₁₄的铁氧排列构型，与实验测量到的X射线衍射图谱相吻合（图4）。更多的计算进一步表明，铁氧合金有着与常见铁氧化合物截然不同的金属性质，其电子结构依赖于铁氧单层的排列方式。该合金的力学性质和热学性质还有待进一步研究。

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时   玉   河南大学

肖梅玲   中国科学院长春应用化学研究所