合肥研究院柯石英高壓相支線毀林變研究中取得

文章来源:Erron 时间:2018-12-27

  合肥研究院柯石英高壓相支線毀林變研究中取得進展

 

  近日,合肥物質科學研讨院固體物理研讨所研讨員劉長松課題組的助理研讨員劉偉、研讨員吳學邦、特聘研讨員梁雲峰,與巴西聖保羅大學教授Miranda 、意大利國際理論物理研讨中心教授Scandolo协作,在柯石英高壓相變研讨中获得進展,相關结果以Multiple pathways in pressure-induced phase transition of coesite為題,發表在《美國國傢科學院院刊》上 。

  二氧化矽是地殼和地幔的次要成分,也是人類运用最廣泛的原料之一 。與水類似,二氧化矽在差别壓強和溫度條件下呈現十分多的熱力學穩定相和亞穩相。在小於7GPa的壓強下 ,二氧化矽的一切穩定晶相都具有SiO4四面體共頂點連接而成的空間網格結構,差别晶相之間的差別次要表現為SiO4四面體之間的相對方位的差别,它們統稱為低壓四面體相,如α-石英、方石英與柯石英等 。當壓強高於7GPa時,它的一切穩定晶相中氧原子构成六角密排子晶格,矽原子占據氧原子六角密排面間的半數的八面體間隙,构成SiO6八面體;矽原子在八面體間隙地位排佈方式的差别導致其空間對稱性差別極大,它們統稱為高壓八面體相,如超石英、CaCl2型與α-PbO2型晶相等。這些差别的高壓八面體相能够看做是由SiO6八面體間的共棱連接方式差别而构成的。

  二氧化矽的相變行為,特别是高壓條件下低壓四面體相的相變行為,是地球物理、凝聚態物理和原料科學領域的重要研讨課題 。截至当前,已有大批的實驗結果報道低壓四面體相的高壓相變行為 。由於加壓條件、樣品等存在著差別,許多高壓實驗結果是完全差别的。Hemley等報道瞭α-石英和柯石英分別在30.3GPa和34.0GPa壓強下發生完全非晶化轉變 。Tsuchida等報道瞭方石英、α-石英分別在30GPa和60GPa轉變為高壓八面體相。Haines等發現,α-石英在高壓非晶化過程中同時伴隨著轉變為高壓八面體相。最近,Dubrovinsky課題組報道瞭柯石英在高壓下轉變為柯石英II和III晶相。毛河光課題組報道瞭柯石英在高壓下轉變為具有更高對稱性的高壓八面體晶相(單斜晶胞 ,P2/c空間群,含4個SiO2單元)。這些差别的實驗結果标明,低壓四面體相在高壓下存在多條相變路徑。但由於高壓實驗中壓強的等靜壓性 (pressure hydrostaticity) 無法精確操纵 ,一次實驗中多種相變能够同時發生 ,以及某些中間相、相變產物的晶體質量不高導致難於檢測等缘由 ,很難從實驗中進一步獲得其中的相變路徑、相變機制與規律。因而,關於二氧化矽的低壓四面體相在高壓下的相變行為至今存在爭議。一種較為普通的觀點認為 ,這些低壓相在高壓下並未發生非晶化,而是轉變為低對稱免責聲明:本文僅代替作者團體觀念,與有關性的中間相和高壓八面體相,在實驗上由於檢測信號弱而被誤認為是非晶態。

  在高壓物理學中,采纳原子程度的計算模擬办法研讨相變過程能够準確操纵差别方向的壓強,坚持樣品的相變沿單一路徑進行,並且能够直接進行結構剖析,從而有利於發現相變路徑和提醒相變機制與規律 。通過基於第一性原橄欖廳銅門,校尉胡同小學、自忠小學等將帶來旋律悠揚的童聲獨唱;戲戲院入口,將演出讓人陶醉其中的昆曲藝術演出;花瓣廳內,極具異域風情的阿根廷舞蹈、印度舞蹈競相演出;舊事公佈廳內,將有古典音樂頻道出色片段賞析和劇目特殊運動;藝術材料中心裡,藝術傢們將與會員、觀眾共享唱片、分享藝術感受 理擬合力場的分子動力學模擬,梁雲峰等發現,方石英在差别偏壓條件下可轉變為多種高壓八面體相:超石英、CaCl2型與α-PbO2型八面體相,但不會發生高壓非晶化轉變 。在高壓下α-石英首先构成氧原子的體心立方子晶格,進一步加壓,由於“軟模化”效應氧原子會构成面心立方和六角密排的混合結構,當壓力釋放後,發生完全玻璃化,這證實瞭α-石英存在高壓非晶化相變路徑;要是“軟模化”效應失掉抑制,氧原子也能够构成完全的六角密排子晶格,從而失掉高壓八面體相。這些結果合了解釋瞭以前實驗觀察到的方石英和α-石英復雜相變行為。

  但是,柯石英復雜的相變行為之謎依旧未解。它作為二氧化矽在2GPa壓強下的穩定晶相,與其它低壓四面體相比較,空間對稱性更低(單斜晶胞,C2/c空間群,含16個SiO2單元),結構更復雜。1988年,Hemley等的實驗結果在Nature上報道以來,柯石英不断被認為是一種高壓非晶化的典范低壓四面體相,卻與最近Dubrovinsky課題組(轉變為柯石英II和III晶相)以及毛河光課題組(轉變高壓八面體晶相)觀察的實驗結果纷歧致。為此,研讨人員通過基於第一性原理擬合力場的分子動力學模擬系統地研讨瞭柯石英在高壓下的相轉變行為。研讨發現,柯石英在22GPa壓強下轉變為對稱性更低的柯石英II晶相,柯石英II中的矽原子依旧為四配位,屬於單斜晶系,晶胞b軸長度是柯石英的兩倍,這與實驗結果完全相符;進一步加壓,柯石英II晶相轉變為局部矽原子六配位的系列三斜相,對稱性不斷降低,並在36GPa發生非晶化(定義為第I路徑),如圖1(B)所示 。為瞭尋找其它相變路徑,科研人員采纳瞭b軸長度與柯石英相工商銀行今後將直面群眾尾氣造假題目,在環球向資金需求加強的群眾提供資金撐腰,構築協作聯系等的超胞進行模擬(以抑制樣品沿第I路徑發生非晶化),發現柯石英在22GPa壓強下轉變為對稱性更低的矽原子四配位P-1(II-1)三斜相,繼續加壓到28GPa轉變為局部矽原子六配位的三斜相P-1(II-2),並在48GPa發生非晶化(定義為第II路徑)。仔細剖析發現,在P-1(II-1)相轉變為P-1(II-2)過程中,相變產生的切應力使超胞外形發生較大畸變,最終導致模擬中壓強的等靜壓性變差;要是限制相變切應力的作用,超胞仍將坚持近立方外形且壓強將繼續坚持优良的等靜壓性。研讨人員進行瞭限制相變切應力作用的模擬,發現P-1(II-1)相在34GPa轉變為另一種局部矽原子六配位的三斜相P-1(III)。進一步的剖析标明,實驗上觀察到的柯石英III“晶相”正是P-1(II-2)P-1(III) 兩相的混合物 。繼續加壓,P-1(III)轉變為一種低對稱性的高壓八面體相P1(2)(三斜晶胞,P1空間群,含64個SiO2單元),定義為第III路徑,見圖1(B)。該高壓八面體新相P1(2)與其它高壓八面體相一樣,氧原子构成完全的六角密排子晶格。它的X射線譜在6º有一小峰,與實驗完全相符,罢了報道的P2/c與α-PbO2型高壓八面體相的X射線譜都沒有6º峰,見圖2(G),這說明實驗中觀察到柯石英的高壓八面體相產物更能够是P1(2)。至此,我們清晰地給出瞭柯石英的三條高壓相變路徑,使人們對其高壓相變行為有瞭清楚的認識。既證實瞭柯石英存在高壓非晶化路徑,也提醒瞭柯石英轉變為高壓八面體相的路徑,給出瞭高壓八面體新相的結構,並闡明瞭相變機制:柯石英在高壓相變過程中具有對稱性不斷降低的規律,高壓八面體新相中氧原子构成六角密排子晶格,高壓非晶態中氧原子构成面心立方和六角密排的混合結構。

  研讨任务失掉瞭國傢自然科學基金、中科院青年創新促進會和中巴协作研讨項目的資助。

  論文鏈接

  

  圖1.(A)已報道的柯石英常溫高壓相變實驗與模擬的體積對壓強變化關系的總結。(B)高壓下柯石英沿三條相變路徑的體積對壓強變化:V(I), V(II), V(III) 。HPOP是高壓八面體相的英文字頭縮寫;Černok、Hemley等人的結果以及V(I), V(II)曲線均分別向上做瞭平移;圖標給出各種相的對稱性,括號內整數是晶胞內SiO2單元的數目;重要的相用紅色箭《馬卡報》封面對付伊斯科這次拙劣的體現,伯納烏球迷毫不惜嗇噓聲頭標出。

  

  圖2.(A)高壓八面體新相P1(2)晶胞的結構照片,(B)與(C)分別對應此超胞L1、L2層的八面體圖像;(D)P1(2)新相轉變為α-PbO2型高壓八面體相之後超胞的結構照片,(E)與(F)分別對應此超胞的L1、L2層的八面體圖像。其中,紅球與綠球分別代替氧原子與矽原子,藍色八面體以綠色矽原子為體心,以紅色氧原子為頂點 。(G)P1(2)新相與α-PbO2型、P2/c高壓八面體相的理論X射線譜和實驗結果的比較:紅色箭頭指明P1(2)新相在6°的小峰,和實驗結果對應。