胡清扬,高压下的魔法师(2)
可紧接着的问题来了,这么小的尖端上,如何装样品?
原来,是在光学显微镜的辅助下,用一根绣花针头手动装样。
在胡清扬示范后,我也尝试了一把。但在显微镜的放大下,绣花针的针头已经和铁棒差不多大小,平常大看不出来的手的微小颤动,传递到绣花针那里,其实已经是剧烈的晃动,几乎没有办法准确地把样品推到金钢石尖的圆心处。
“你要不一只手扶着点桌子,这样稳当些。” 胡清扬在一边打趣道。
虽然了解他的好意,但我心里知道,这种生理性的抖动并不是那么容易控制。现场的工程师告诉我,就这样看似简单的装样操作,也得耗费初学者几个月的时间才能掌握。
就是靠着如此简单的装置,胡清扬所在的团队制造了许多高压下才存在的奇特物质,比如二氧化铁(FeO2)。具体的做法是,金钢石对顶产生76亿帕高压,这差不多相当于地表下1700千米的压力,然后加入赤铁矿的成分三氧化二铁,充入氧气,再用激光加热样品到1700K(约1400摄氏度),一种超级氧化的化合物过氧化铁(FeO2)就诞生了。
“如果在高中化学里看见这个东西,肯定会有疑问的,但是在地球深部的高压下,就会有地球表面一个大气压下看不到的化学反应,生成新的物质。” 胡清扬解释道。
这种晶体结构类似二硫化亚铁(FeS2)的物质,在高压下,竟然可以很稳定地存在。嗯,看来以后,这个知识点要放到高中化学里了——铁氧化物的终极形态不再是三氧化二铁(毕竟高压下的三氧化二铁还可以进一步转化为二氧化铁(FeO2))。
水与铁之歌
不过,当胡清扬他们把发现二氧化铁的论文寄给《科学》杂志时,却遭到了拒绝。杂志反馈的意见是,这可能是有趣的化学,但没有实际意义。
那么,人工高压下制造出的物质,是否在地球深处真实存在呢?总不能打个2000千米的深井去看看吧,况且人类挖的最深的井也才万米,差了有两个数量级。
事实上,胡清扬等人进一步做实验发现,在几十亿、上百亿的高压下(相当于超过1800千米的地幔深处),水已经变成了一种非常强的氧化剂,甚至可以将铁氧化为二氧化铁。
俯冲板中的含水矿物(蓝色)携带水与铁芯反应形成富氧多层块(深棕色)。反应过程中形成多层富氧层,氢从这一系列的化学反应中逸出并上升以维持氢循环。富氧多层块横向移动并累积。一些富氧多层块(小块)被分散并与地核和地幔交界面的硅酸盐和氧化物混合。
这就有实际的意义了。
水、铁都是地球上再常见不过的物质了。我们这个星球本来就称为 “蓝色星球”,海洋占到了地球表面超过七成,而铁则是地球所有元素中按照重量来说排第一的物质。
可以说,在这个星球上,最不缺的就是水和铁。
那么,当大量的水或含水矿物通过板块运动,进入地球深部,在高压之下遇到铁,可以设想也将生成二氧化铁,而且量应该不会少。
二氧化铁由于其密度高于地幔矿物,但低于地核,因此很可能会漂浮、富集在地核和地幔的交界处,当累积到达临界点,而又遇到偶然因素的刺激,如小行星撞击,地球内部的运动等的影响下,将突然爆发,释放出大量的氧气到地球表面——这可能就是 “大氧化事件” 的始作俑者。
除了解释大氧化事件,累积的二氧化铁层块也可能是地核地幔交界面上地震波异常的来源——人们很早就知道,在地核和地幔的交界处有一些区域的地震波速很慢,一直以来没有太满意的解释。
“我们既然合成了二氧化铁,也想测量下它的波速,我们发现在一定的混合比例下,基本上和观测到的慢速地震波数据是完全吻合的。” 胡清扬说。
不仅如此,如此单一的高压机理,能用来解释的现象还有不少,比如超大陆的分和合,大火山省,生物五次大灭绝,四大冰期,大气中的氧气,甚至有氧生物的出现等等,大有一举定乾坤的气势。
而他们后续发表的这一系列发现,其内涵已经愈加丰富,看起来最初突破性的结果即便被 “顶刊” 拒绝,有时并不见得是坏事。
高压下的乐趣
尽管发现二氧化铁这项工作本身没有耗费太长时间,但就整个高压研究而言,胡清扬也算是个老手了,今年是第十二个年头。
文章来源:《高压物理学报》 网址: http://www.gywlxbzz.cn/zonghexinwen/2022/0126/670.html