Сжатое железо: нечеловеческие условия

Невероятные давление и температура в области ядра Земли прижимают находящиеся здесь атомы настолько близко друг к другу, что взаимодействуют они совершенно необычным образом. Вещество теряет привычные свойства и обретает совершенно новые.

Американские ученые под руководством Рональда Коэна (Ronald Cohen) опубликовали недавно результаты работы, в которой они с помощью мощного изучили поведение оксида железа (II) в условиях, которые, как считается, существуют в самом сердце нашей планеты, в области ее ядра. Вместе с магнием FeO составляет второй по распространенности минерал внутренних слоев земной мантии, ферропериклаз – и специалистов заинтересовали детали его существования на этой адской глубине.

Авторы изучили поведение FeO при давлении 1,4 млн атмосфер и температуре 2,2 тыс. ^ОС – считается, что примерно таких величин они достигают на границе мантии и ядра. Современные теоретические методы и мощь суперкомпьютеров позволили обнаружить, какие именно структурные, химические, электронные и прочие перестройки испытывает вещество в этих экстремальных условиях.

Ранее считалось, что уже при 690 тыс. атмосфер и 1,6 тыс. ^ОС оксид железа (II) претерпевает структурные изменения и переходит из непроводящего состояния в проводящее. Однако новое исследование показало, что переход этот происходит без структурных перестроек. Иначе говоря, даже не меняя взаимное расположение атомов в своей кристаллической решетке, FeO может становиться изолятором или проводником, при достаточно высоких значениях давления и температуры.

«При высокой температуре, - поясняет Ричард Коэн, - атомы в кристалле FeO формируют такую же кристаллическую решетку, что и атомы в кристалле обычной поваренной соли, NaCl. Как и соль, при «комнатных» условиях оксид железа может служить хорошим изолятором, он не проводит электричества. В некоторых предыдущих работах было показано, что при высоком давлении и температуре структура FeO претерпевает «металлизацию» с изменением кристаллической структуры. Однако наши результаты говорят о том, что эта «металлизация» происходит без изменений в структуре, причем для этого требуется одновременное действие и большого давления, и температуры. Более того, теоретически, поведение электронов в этом «металле» существенно отличается от того, что происходит в других «металлах».

Судя по этим данным, FeO сохраняет электропроводность на всей толще нижних слоев земной мантии. Этот факт, на самом деле, имеет огромное значение с точки зрения важного эффекта, создаваемого электропроводящими массами в недрах Земли – а именно, глобального магнитного поля планеты. Генерируясь веществом верхней части земного ядра, оно должно распространяться в проводящих слоях мантии иначе, нежели это могло бы происходить, если FeO оставался бы изолятором. По словам профессора Коэна, в результате между мантией и ядром возникает «магнитно-механическое сопряжение».

По пресс-релизу Carnegie Institution of Washington