地球內(nèi)核條件下鐵及其合金究竟具有怎樣的晶體結構？這是地球深部研究關注的關鍵問題之一，對該問題的解答將牽一發(fā)而動全身地影響到"內(nèi)外核平衡溫度"、"內(nèi)外核輕元素分配"、"外核物質(zhì)對流機制"等一系列核心科學問題。目前人們對地球內(nèi)核結構存在較大爭議：一方面，綜合已有的高溫高壓實驗和理論計算結果，一般認為高壓下密排六方結構（hcp）最穩(wěn)定；而另一方面地震學觀測結果顯示，地球內(nèi)核具有復雜的分層結構和各向異性，hcp結構很難合理解釋這些特征，而體心立方結構（bcc）似乎更符合觀測數(shù)據(jù)。
為了解決這種爭議，前人提出高溫高壓下bcc結構存在重新穩(wěn)定的可能，這來自于兩方面的因素：（1）高溫使得熵的作用增大，熱力學上有利于較為疏松有序的bcc結構；（2）bcc結構在高壓下存在的力學不穩(wěn)定問題，可由高溫下的非諧性效應、少量硫、碳、硅、氧等輕元素摻雜效應等因素有效克服。雖然這兩方面趨勢已得到大家認可，但目前對bcc結構在地球內(nèi)核條件下的穩(wěn)定性還沒有準確判斷。
地質(zhì)地球所地球深部結構與過程研究室博士生崔航和張志剛副研究員、張毅剛研究員，利用基于密度泛函理論的第一性原理分子動力學模擬方法，對高溫和輕元素摻雜因素對bcc相變的影響進行了系統(tǒng)研究。由于bcc到面心立方結構（fcc）存在連續(xù)相變路徑，通過調(diào)節(jié)表征該相變過程的應變參數(shù)，該研究運用熱力學積分法得到相變路徑上的自由能變化，大大提高了計算結果的精確性。該研究證實高溫和輕元素確實對bcc的穩(wěn)定性有一定促進作用，但不足以使該相穩(wěn)定存在于地球內(nèi)核中（圖1）。
該研究成果近期發(fā)表在國際地學權威期刊Geophysical Research Letters （Cui et al. The effect of Si and S on the stability of bcc iron with respect to tetragonal strain at the Earth's inner core conditions. Geophysical Research Letters, 2013, 40: 2958-2962, doi:10.1002/grl.50582）。
http://dx.doi.org/10.1002/grl.50582