Раніше вважалося, що кисню, швидше за все, немає в складі залізного внутрішнього ядра Землі. Однак в новому експерименті вчені змогли змоделювати екстремальні умови цього середовища і отримати багатий залізом сплав Fe-O, який може існувати при температурі понад 2700 градусів Цельсія і тиску в 300 гігапаскалів.
© Jin Liu
Кисень, необхідний для життя більшості істот, – один з найпоширеніших хімічних елементів на Землі. Однак дотепер залишалося загадкою, чи присутній він у внутрішньому ядрі нашої планети, що складається практично повністю з заліза. Якщо так, то в якій формі кисень існує в умовах екстремально високих температури і тиску?
Зараз вчені з центру передових досліджень науки і технологій високого тиску (Китай) та Колумбійського університету (Колумбія) показали, що багаті залізом сплави Fe-O залишаються стабільними при тиску майже 300 гігапаскалів (приблизно три мільйони атмосфер) і температурі понад 2700 градусів Цельсія. Результати дослідження, опубліковані в журналі The Innovation, доводять, що кисень може існувати в твердому внутрішньому ядрі нашої планети.
Внутрішнє ядро Землі залишається одним з найзагадковіших місць на планеті. Тиск в ньому може досягати 360 гігапаскалей, а температура — 5400 градусів Цельсія, практично як на поверхні Сонця. Оскільки ядро знаходиться далеко за межами досяжності людини, вчені можуть зробити висновки про його щільність і хімічний склад тільки за непрямими сейсмічними сигналами.
Вважається, що легкі елементи можуть перебувати в ядрі, але питання про їх тип і концентраціях досі залишається спірним. Космохімічні та геохімічні дані свідчать про те, що ядро повинно містити сірку, кремній, вуглець та водень. Експерименти та розрахунки також підтвердили, що ці елементи змішуються з чистим залізом, утворюючи різні сплави.
Однак наявність кисню в ядрі зазвичай виключають. В основному це пов’язано з тим, що багаті залізом сплави Fe-O ніколи не виявлялися на поверхні або в мантійному середовищі. Хоча вчені намагалися синтезувати сполуки оксиду заліза зі складом, багатим залізом, такі речовини ще не знаходили.
Щоб наблизитися в експерименті до температури і тиску ядра Землі, автори нової роботи помістили залізо і оксид заліза на кінчики двох алмазних ковадел і нагріли їх високоенергетичним лазерним променем. Виявилося, хімічна реакція між цими речовинами відбувається при тиску вище 220-260 гігапаскалей температурі в 2700 градусів Цельсія.
Теоретичний пошук кристалічної структури отриманого багатого залізом сплаву Fe-O показав, що він може стабільно існувати в умовах земного ядра. При цьому нові сплави Fe-O утворюють гексагональну щільноупаковану структуру, в якій кисневі шари розташовані між шарами заліза і стабілізують структуру. Такий механізм створює безліч щільноупакованих шарів. Подальші розрахунки продемонстрували, що багаті залізом Сплави Fe-O — металеві, на відміну від звичайних оксидів заліза при низькому тиску.