اکسیژن ماده کلیدی حیاتی و یکی از فراوان ترین عناصر روی زمین است. با این حال، هنوز ناشناخته است که آیا اکسیژن در هسته زمین که از آهن تقریباً خالص تشکیل شده و تحت شرایط فشار و دمای شدید بسیار زیاد است وجود دارد یا خیر.
به گزارش تکناک، اکنون دانشمندان مشخص کردند که آلیاژهای Fe-O غنی از آهن در فشارهای شدید نزدیک به 300 گیگا پاسکال و دمای بالای بیش از 3000 کلوین (5000 درجه فارنهایت) پایدار هستند.
نتایج ثابت میکند که اکسیژن میتواند در هسته داخلی جامد وجود داشته باشد، که الزامات کلیدی را برای درک بیشتر فرآیند شکلگیری و تاریخچه تکامل هسته زمین فراهم میکند. این مطالعه که توسط دکتر جین لیو از HPSTAR (مرکز تحقیقات پیشرفته علوم و فناوری فشار بالا) و دکتر یانگ سان از دانشگاه کلمبیا رهبری شد، اخیراً در مجله The Innovation منتشر شد.
هسته جامد درونی زمین به عنوان یکی از اسرارآمیزترین مکانهای روی کره زمین، با فشار بیش از 3 میلیون اتمسفر و دمای نزدیک به سطح خورشید، حدود 6000 K، (10000 درجه فارنهایت) در شدیدترین محیط دما و فشار روی زمین قرار دارد. از آنجایی که هسته داخلی بسیار دور از دسترس انسان است، ما فقط میتوانیم چگالی و ترکیب شیمیایی آن را از سیگنالهای لرزهای تولید شده توسط زلزله استنباط کنیم.
در حال حاضر، اعتقاد بر این است که عناصر سبک در هسته داخلی وجود دارد، اما نوع و محتوا هنوز مورد بحث است. شواهد کیهانی و ژئوشیمیایی نشان می دهد که باید حاوی گوگرد، سیلیکون، کربن و هیدروژن باشد. آزمایشها و محاسبات نیز تأیید کرد که این عناصر با آهن خالص مخلوط میشوند و آلیاژهای مختلف آهن را در دمای بالا و شرایط فشار بالا در اعماق زمین تشکیل میدهند.
با این حال، اکسیژن، که ارتباط نزدیکی با ما دارد، معمولاً از هسته داخلی حذف می شود. این عمدتا به این دلیل است که آلیاژهای Fe-O به همراه ترکیبات غنی از آهن هرگز در سطح یا محیط های گوشته یافت نشده اند.
محتوای اکسیژن در تمام اکسیدهای آهن شناخته شده بیشتر یا مساوی 50 درصد اتمی است.اگرچه محققان سعی کرده اند ترکیبات اکسید آهن را با ترکیبات غنی از آهن سنتز کنند، اما چنین موادی هنوز پیدا نشده است. آیا هسته داخلی زمین تا این حد “بی اکسیژن” است؟ برای پاسخ به این سوال، یک سری آزمایشات و محاسبات نظری در این تحقیق انجام شد.
برای نزدیک شدن به دما و فشار هسته زمین، آهن خالص و اکسید آهن را روی راس دو سندان الماس قرار دادند و با پرتو لیزر پرانرژی حرارت دادند. پس از تلاش های فراوان، مشخص شد که یک واکنش شیمیایی بین آهن و اکسید آهن بالاتر از 220-260 گیگا پاسکال و 3000 کلوین رخ می دهد. نتایج XRD نشان میدهد که محصول واکنش با ساختار متعارفی که در دمای بالا و فشار بالا از آهن خالص و اکسید آهن ایجاد میشود متفاوت است.
یک مطالعه نظری ساختار کریستالی با استفاده از یک الگوریتم ژنتیک ثابت کرد که آلیاژ Fe-O غنی از آهن می تواند به طور پایدار در حدود 200 گیگا پاسکال وجود داشته باشد. تحت چنین شرایطی، آلیاژهای جدید Fe-O غنی از آهن یک ساختار شش ضلعی بسته را تشکیل می دهند که در آن لایه های اکسیژن در بین لایه های آهن قرار می گیرند تا ساختار را تثبیت کنند. چنین مکانیزمی آرایش های بسته زیادی را تولید می کند که خانواده بزرگی از ترکیبات Fe-O غنی از آهن را با آنتروپی پیکربندی وسیع تشکیل می دهد.
بر اساس این اطلاعات نظری، یک پیکربندی اتمی Fe28O14 برای مطابقت با الگوی XRD اندازهگیریشده تجربی پیدا شد. محاسبات بیشتر نشان داد که، برخلاف اکسیدهای آهن معمولی در فشارهای پایین، فازهای Fe-O غنی از آهن فلزی هستند. ساختار الکترونیکی به غلظت O و آرایش لایه Fe و O بستگی دارد. خواص مکانیکی و خواص حرارتی آلیاژ نیاز به مطالعه بیشتر در آینده دارد.
