美国国家点火装置首次测量地核条件下铁的动态强度

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)与多所高校和科研机构组成的团队，利用国家点火装置(NIF)重现地球内核的极端温度和压力环境，首次在相关条件下同步测量了铁的动态强度。相关研究成果近期发表在《自然通讯》上，论文题为《地球内核压力-温度条件下铁的动态强度》。

研究团队表示，铁是地球及其他类地行星内核的主要成分，但其在内核环境下如何变形和流动，此前缺乏直接实验数据。由于地核压力—温度条件难以在实验室中长时间稳定获得，过去对铁流变性质的测量面临很大限制。NIF作为高能量激光实验装置，能够在极短时间内产生接近或超过地球内核的高温高压环境，并配合原位诊断手段记录材料响应。

在实验中，研究人员采用直接激光驱动方式，将激光束照射在边长5.35毫米的多层正方形靶材上。靶材中的铁表面预先刻有波纹图案，用于观察瑞利—泰勒不稳定性导致的扰动增长。研究人员还利用背光光束产生高能X射线，对靶材在不同时间点的形变过程成像;同时通过VISAR光学测速系统跟踪靶材后表面速度，以确定实验达到的压力条件。

为确保实验能够达到约300万个大气压和约5000摄氏度的环境，同时避免铁样品过快熔化，团队在实验前对靶材结构和激光脉冲形状进行了大量模拟。实验完成后，研究人员结合辐射流体动力学模拟、分子动力学模拟和高性能计算，对铁在极端环境下的强度和微观响应进行分析。

结果显示，铁在压力诱导相变过程中会出现原子重排，并进一步形成更细小的晶粒结构，这些变化会影响其流变行为。研究还发现，在相关高压相中，由不同初始晶向α-Fe转变而来的ε-Fe表现出不同强度特征;其中，由初始单晶[001]α-Fe衍生的高压ε-Fe强度始终高于由[111]α-Fe衍生的ε-Fe。大规模分子动力学模拟也呈现出相同趋势，表明这种差异与低压相变和后续ε相变形过程中的取向差异有关。

研究人员认为，理解地球内核材料强度及其与微观结构之间的关系，有助于解释地震波在内核中的传播差异，并为研究地核动力学及磁场演化提供实验依据。团队计划继续推进相关研究，进一步关注地球内核与外核混合区域中的材料行为。