高压冲击下镍的面心立方相稳定性研究：揭示地球内核边界熔融行为的关键突破

为解决地球内核中铁镍合金熔融行为的关键科学问题，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室团队通过激光冲击压缩结合原位X射线衍射技术，首次观测到镍在332±30 GPa高压下仍保持面心立方(fcc)结构，并将部分熔融起始压力定位于377-486 GPa区间。该研究发表于《Nature Communications》，为行星核心形成模型提供了重要实验依据，修正了传统镍熔融曲线的理论预测。

　　

地球内核的组成和演化始终是行星科学的核心谜题。作为地核中含量达5-20 wt.%的关键元素，镍的熔融行为直接影响着内核边界的相变过程。然而，由于极端高压环境的模拟困难，镍在330-360 GPa（相当于地球内核压力）下的熔融特性长期存在争议——既有理论预测其熔融温度比铁低700-800 K，也有计算模型显示相反趋势。这种不确定性严重阻碍了对地核凝固机制、地震波各向异性成因等重大科学问题的解读。

为解决这一难题，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室联合SLAC国家加速器实验室等机构，利用Linac相干光源(LCLS)的MEC终端站，开展了突破性的激光冲击压缩实验。研究团队设计了两组实验（代号LV13和L10075），通过ns级平顶激光脉冲轰击镍箔靶材，结合原位X射线衍射(XRD)和速度干涉仪(VISAR)技术，首次在500 GPa级压力下捕捉到镍的晶体结构演变。关键技术包括：1）采用22μm冷轧镍箔与LiF窗口的阻抗匹配靶设计；2）四通道ePix 10k QUAD探测器实现1.5-7.5 ?^-1范围的衍射采集；3）双通道线VISAR系统测量3.6 km/s级粒子速度；4）GSAS-II软件进行全谱Rietveld精修确定密度-压力关系。

结果与讨论

高压相稳定性
通过分析12.6 keV X射线衍射图谱，研究发现镍在183-332 GPa压力区间始终保持fcc结构，晶格参数从3.1307(5) ?压缩至3.034(2) ?。这一发现显著突破了此前静态压缩实验100 GPa的压力上限，且密度-压力数据与Al'tshuler等人历史冲击数据吻合。

熔融边界测定
在377-486 GPa压力窗口首次观测到fcc衍射峰旁出现3.5-3.7 ?^-1的弥散信号，经高斯拟合确认为液态镍特征。通过激光强度校准曲线确定完全熔融发生在527±87 GPa，表明镍的熔融区间宽度远超铁（约45 GPa），暗示其熔融曲线斜率更陡峭。

地球物理意义
对比铁在相同实验平台的数据发现，镍的熔融压力比铁高约200 GPa。这一结果支持Sun等人近期ab initio计算结果，证实镍在地核压力下的熔融温度比铁高700-800 K。该发现对理解地核凝固过程具有双重意义：1）fcc结构在高压下的稳定性暗示铁镍合金可能形成非理想混合；2）宽熔融区间支持内核边界存在"沉积层"模型，为地震观测到的复杂各向异性结构提供物理解释。

结论

这项研究通过创新性的动态压缩实验，确立了镍在超高压下的熔融行为新标准：1）fcc相稳定性延伸至至少332 GPa；2）部分熔融起始于377-486 GPa；3）完全熔融需超过500 GPa。这些数据不仅填补了高压物理的关键空白，更从根本上改变了人们对行星内核形成机制的认识——镍作为地核主要杂质元素，其高熔点和宽熔融区间的特性，可能主导着内核边界的相分离过程和地震波传播特征。该成果为构建更精确的行星内部模型提供了不可替代的实验基准。