金是高壓實(shí)驗(yàn)中極其重要的材料，在靜態(tài)金剛石砧芯實(shí)驗(yàn)中被認(rèn)為是計(jì)算壓力的“金標(biāo)準(zhǔn)”。當(dāng)在室溫下緩慢壓縮時(shí)(大約幾秒到幾分鐘)，當(dāng)壓力達(dá)到地球中心三倍時(shí)，金更傾向于以表面為中心的立方(fcc)結(jié)構(gòu)。

然而，來自勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)和華盛頓卡內(nèi)基研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金在納秒(十億分之一秒)內(nèi)被迅速壓縮時(shí)，壓力和溫度的增加會(huì)將晶體結(jié)構(gòu)改變?yōu)榻鸬囊粋€(gè)新階段。這種著名的體心立方(bcc)結(jié)構(gòu)變形為比fcc結(jié)構(gòu)更開放的晶體結(jié)構(gòu)。

其研究結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上，該研究的主要作者、LLNL的博士后理查德·布里格斯說：在黃金中發(fā)現(xiàn)了一種存在于極端狀態(tài)下的新結(jié)構(gòu)（地球中心壓力的三分之二）。事實(shí)上，新結(jié)構(gòu)在高壓下的填料效率比初始結(jié)構(gòu)要低，考慮到大量理論預(yù)測表明應(yīng)該存在更緊密的填料結(jié)構(gòu)，這就很令人驚訝。實(shí)驗(yàn)在阿貢國家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光子源的動(dòng)態(tài)壓縮區(qū)(DCS)進(jìn)行。DCS是第一個(gè)致力于動(dòng)態(tài)壓縮的同步x射線科學(xué)設(shè)備。這些實(shí)驗(yàn)是首次在DCS專用高能激光站hutch-C上進(jìn)行，金是理想的研究對(duì)象。

因?yàn)樗母遺值(提供一個(gè)強(qiáng)大的x射線散射信號(hào))和相對(duì)未探索的相圖在高溫下。研究小組發(fā)現(xiàn)，金的結(jié)構(gòu)在220GPa壓力下開始改變(220萬倍于地球大氣壓力)，當(dāng)壓力超過250GPa時(shí)開始融化。觀察到液態(tài)金的平均點(diǎn)達(dá)到330GPa，這是地球中心的壓強(qiáng)，比之前測量高壓下的液態(tài)金壓強(qiáng)高300多GPa。由于催化裂化轉(zhuǎn)變?yōu)槊芟噙B鑄結(jié)構(gòu)在鋼鐵生產(chǎn)中的重要性，這可能是研究最多的相變之一。高溫或應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致兩種催化裂化/密相連鑄結(jié)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)變化。然而，目前還不清楚是什么相變機(jī)制在起作用。

研究結(jié)果表明，由于壓力和溫度的影響，金在熔化前經(jīng)歷了相同的相變，未來的實(shí)驗(yàn)集中在這種相變機(jī)理上，可以幫助闡明這種重要的相變?cè)谥圃鞆?qiáng)鋼方面的關(guān)鍵細(xì)節(jié)。許多用來理解高壓/高溫行為的金理論模型并不能預(yù)測以物質(zhì)中心的結(jié)構(gòu)形成——在10多部已發(fā)表的著作中，只有兩篇是這樣的。研究結(jié)果可以幫助理論學(xué)家改進(jìn)極端壓縮下的元素模型，并期待利用這些新模型來研究化學(xué)鍵的影響，以幫助開發(fā)可以在極端狀態(tài)下形成的新材料。

博科園｜研究/來自：勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.045701

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普

關(guān)注【博科園】看更多大美宇宙科學(xué)