地球科學(xué)最基本的一個(gè)科學(xué)問題是地球的成分是什么。這個(gè)問題也是地球科學(xué)的一個(gè)終極問題。對(duì)這個(gè)問題的探索，需要綜合地球科學(xué)的各個(gè)分支學(xué)科（包括地球物理、地球化學(xué)等），需要綜合對(duì)地球不同部分的研究成果（包括大氣、地殼、地幔和地核），才能對(duì)這個(gè)問題有所回答。因此，地球的成分是一個(gè)提綱挈領(lǐng)性的科學(xué)問題。其中，地核的成分是這個(gè)總問題下的一個(gè)分問題。對(duì)地核成分的研究是一個(gè)綜合性極強(qiáng)的研究，需要各個(gè)學(xué)科使用最先進(jìn)的武器，最有創(chuàng)意的思想。
Birch在60年前（1952年）研究發(fā)現(xiàn)地核密度比純鐵在高溫高壓下的密度低，地核中必須有比鐵輕的元素存在，從而提出地核密度缺失（core density deficit）和輕元素（light elements）兩個(gè)概念。由于地核輕元素與地球歷史早期核幔分異過程、固態(tài)內(nèi)核生長(zhǎng)、地核熱結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生地球磁場(chǎng)的地核發(fā)電機(jī)工作機(jī)制等重大地球深部科學(xué)問題密切相關(guān)，因此，人們對(duì)這一科學(xué)問題開展了大量的研究。傳統(tǒng)的研究地核成分的方法包括：（1）地震學(xué)和礦物物理學(xué)相結(jié)合，通過對(duì)比地震學(xué)獲得的地核的波速和密度與礦物物理學(xué)在高溫高壓下獲得的各種物質(zhì)的波速和密度，來獲得地核成分；（2）地球化學(xué)和宇宙化學(xué)相結(jié)合，利用不進(jìn)入地核的親石元素建立元素?fù)]發(fā)性曲線（element volatility curve），利用親鐵元素歸并到該曲線上所需要的量即可獲得地核成分。
目前一系列證據(jù)表明地球形成早期核幔分異是在巖漿洋（magma ocean）條件下進(jìn)行的。在熔融條件下，匯聚到地球上的物質(zhì)分成兩相，鐵進(jìn)入地核，硅酸鹽留在地幔。通過研究元素在液態(tài)鐵和硅酸鹽之間的分配可以獲得地核的成分。過去，人們開展了大量的高溫高壓實(shí)驗(yàn)來獲得各種元素的配分系數(shù)。但由于實(shí)驗(yàn)和分析條件的限制，高溫高壓下的數(shù)據(jù)仍然很少，一些重要元素，如對(duì)生命起源和氣候環(huán)境變化具有重要意義的碳（C）的配分系數(shù)仍然缺失。
地質(zhì)地球所中科院地球深部研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張毅剛研究員和美國加州大學(xué)戴維斯分校地質(zhì)系尹慶柱教授合作，采用第一原理分子動(dòng)力學(xué)這一量子力學(xué)理論計(jì)算方法，獲得了包括碳在內(nèi)的一系列元素的配分系數(shù)。他們?cè)谟?jì)算過程中采用了自行研發(fā)的、結(jié)合了計(jì)算幾何的兩相法分子動(dòng)力學(xué)（圖1），利用了中科院地球深部研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室并行計(jì)算中心強(qiáng)大的計(jì)算能力。通過這些基礎(chǔ)性的配分?jǐn)?shù)據(jù)，他們進(jìn)一步探討了碳、氮、氫等元素在地核、地幔中的含量，為進(jìn)一步研究這些揮發(fā)性元素對(duì)地核和地幔演化所起的作用打下基礎(chǔ)。他們的研究成果2012年11月27日發(fā)表在國際著名期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（簡(jiǎn)稱PNAS，即《美國科學(xué)院院報(bào)》）。