地球大气压强220万倍的极端状态下,科学家发现黄金的新结构

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地球大气压强220万倍的极端状态下,科学家发现黄金的新结构

科学家们刚刚发现了有关黄金的有趣现象。在短短几纳秒内施加极压时,这种元素的原子结构会发生变化,变得更像其它金属。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家理查德·布里格斯表示,他们在黄金中发现了一种新的结构,这种结构存在于极端超高压力状态下,相当于地球中心压强的三分之二。这是科学家首次在黄金中观察到这种结构状态,这些特性可以帮助科学家进一步理解元素在压力下的行为。

黄金是一种迷人的元素。它的特性最不活跃,即便是在极高的压力下,其晶体结构预期中仍然保持稳定。金原子的排列遵循所谓的“面心立方”(fcc)结构。简而言之,黄金的原子形成立方体,每个角上都有一个原子,每个面的中心都有另一个原子。金、银、铂、银、铝和镍都有这种结构。

之前的实验已经表明,当在室温下缓慢压缩大约几秒到几分钟,当压力达到地球中心的三倍时,黄金的面心立方机构仍然处于稳定。基于这种特性,对于金刚石压腔实验中压力标定非常有用,金刚石压腔在实验室里主要用于产生极端的超高压力。

通常压力是逐渐施加的,然而在几纳秒的冲击压缩下,劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家们现在发现了一些不同寻常的现象。在223 GPa压强下,相当于海平面上地球大气压的220万倍,黄金重新排列成一个不那么紧凑的“体心立方”(bcc)结构,当金属从一种结构过渡到另一种结构时,这两种结构共存。

顾名思义,bcc也是一个立方体结构,每个角上都有一个原子;但是在立方体的每个表面上并没有原子,而是只有一个原子在其中心(见下图)。许多金属,包括较软的金属如锂和钠,以及较硬的金属如钨和铬,都具有体心立方结构。

虽然物理学家曾经在钢铁等金属制品中发现了fcc结构和bcc结构之间的转变,但这种相变以前从未在黄金中记录过。事实上,黄金的这种新结构在高压下的填充效率比初始结构要低,考虑到大量的理论预测表明应该存在更紧密的填充结构,这样的发现令人惊讶。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室研究团队并没有打算止步于223 GPa的超高压强测试。在最初的冲击之后,他们在加大压强的同时跟踪结构的变化。压强超过250GPa时黄金开始融化,在压强达到262 GPa时,相变完成。研究人员表示,观察到液态黄金的平均绩点达到330,令人震惊讶。相当于地球中心的压强,比之前测量的高压下的液态金的压强高300多GPa。科学家此前从未在如此高的压力下观测过。

研究人员表示,这对于填写黄金的相变图确实很有吸引力,另外这一发现对制造业也有更广泛的意义。例如,铁既有fcc机构也有bcc结构,主要取决于其温度,对于钢铁生产十分重要,相比bcc结构,高温fcc结构下铁可以吸收更多的碳。

但目前对相变的确切机制仍知之甚少。该项研究表明,由于温度和压力的原因,黄金经历了相变,这可能有助于在未来的实验中发现这种机制。

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