马琰铭教授团队研究成果发表在《自然通讯》

时间:2020-10-29    点击:

  日前,我院计算方法与软件国际中心李全教授和马琰铭教授,与洛阳师范学院彭枫教授和内华达大学拉斯维加斯分校陈长风教授合作,在破解“氙气消失之谜”研究中取得进展。

  氙,作为一种神秘的惰性气体,在电子、光电源工业、气体激光器和医疗领域等有重要应用价值。与其它稀有气体相比,氙在大气层中的含量更低。大气中实际测量的氙丰度,不足理论预期的10%,即90%以上的氙气不知去向,这在科学上被称为“氙气消失之谜”。氙气何处藏身的奥秘,是科学界亟待破解的挑战性难题。

  传统观点认为,氙气可能隐藏在地球内部地幔、地核等区域。然而,迄今为止没有足够的证据显示氙气可稳定存在于地幔中(特别是下地幔)。氙气储存于下地幔的前提是,在下地幔的压强和温度环境下(约136万大气压和4000 K),它与下地幔的成分发生化学反应,形成稳定的化合物。

  本研究利用马琰铭教授团队自主研发的CALYPSO结构预测方法(http://www.calypso.cn/),首次预言了下地幔中存在氙气储存库,指出氙可与近期发现的下地幔矿物FeO2发生化学反应,生成稳定的氙铁氧化物—Xe2FeO2和XeFe3O6。下地幔密度和声速等关键数据的实验和理论对比显示,氙铁氧化物是可行的下地幔成分。系统的结构预测和热力学计算表明,FeO2不会与氩、氪和氖等其它惰性气体发生化学反应,并且下地幔的其它主要成分FeO、MgO、SiO2、CaO和Al2O3等氧化物也不能与氙气发生化学反应。如上数据证实了FeO2具有俘获氙的能力,也显示了氙可能是唯一以化合物形式存在于下地幔的惰性元素。该工作拓宽了氙化学的研究范围,丰富了下地幔的物质构成,表明了下地幔是氙气的理想藏身之所,为阐明“氙气消失之谜”提供了新的关键材料成分和物理机制。


Xe2FeO2和XeFe3O6晶体结构与Xe-FeO2化合物高温高压相图

  洛阳师范学院彭枫教授与吉林大学计算方法与软件国际中心博士研究生宋贤齐为本文的共同第一作者。本文通讯作者为吉林大学李全教授、美国内华达大学拉斯维加斯分校陈长风教授和吉林大学马琰铭教授。该工作得到了国家自然科学基金、吉林大学科学技术创新研究团队的资助和吉林大学高性能计算中心与北京计算科学研究中心天河二号的支持。相关研究成果以“Xenon iron oxides predicted as potential Xe hosts in Earth' s lower mantle”为题,于2020年10月16日发表在Nature Communications期刊上。

  文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-19107-y


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