美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)联合多所大学的研究人员，利用国家点火装置(NIF)重现了接近地球内核的极端温度和压力环境，并首次在相关条件下同时测量了铁的动态强度。相关成果近期发表在《自然通讯》上，论文题为《地球内核压力-温度条件下铁的动态强度》。
NIF的实验利用激光直接驱动铁压缩至与地球内核相关的压力和温度条件，并结合X射线成像和VISAR诊断技术。图片来源：Brian Chavez/LLNL和门多萨大学。
铁是地球和其他类地行星内核的主要成分，但它在内核环境中的变形和流动行为长期缺乏直接实验数据。论文共同第一作者、LLNL物理学家金永宰表示，这项结果为研究地球内核条件下铁的流变学提供了重要实验基准。
NIF是世界上能量最高的激光系统之一，可产生比太阳或地球内核更极端的温度和压力条件。该装置同时服务于美国国家核安全管理局的核武库现代化计划，其激光能量、脉冲整形、超快原位诊断和精密靶材制造能力，也支持探索科学研究。
在实验准备阶段，研究人员通过模拟优化靶材设计和激光脉冲形状，使铁样品能够承受约300万个大气压并加热至约5000摄氏度，同时避免升温过快导致熔化。实验中，激光照射一个边长5.35毫米的多层正方形靶，铁表面预先蚀刻了波纹图案。研究团队利用瑞利-泰勒不稳定性观察波纹增长，并通过高能X射线成像记录不同时间点的变化;与此同时，VISAR光学诊断系统跟踪靶后表面速度，用于判断压力条件。
随后，团队结合辐射流体动力学模拟和分子动力学模拟解析实验数据。前者帮助还原实验中的整体演化过程，后者则揭示原子尺度的材料响应。结果显示，铁在压力诱导相变过程中出现了意想不到的原子重排，并进一步形成更细小的晶粒结构，这些变化会影响其流变行为。研究还发现，在相关高压条件下，由初始单晶[001]α-Fe转变而来的ε-Fe强度始终高于由[111]α-Fe转变而来的ε-Fe，这一趋势也在大规模分子动力学模拟中得到支持。
研究人员认为，理解地球内核材料强度及其与微观结构的关系，有助于解释地震各向异性，也就是地震波在内核中传播方式的差异。这类信息与地核动力学和地球磁场演化历史密切相关。
团队计划继续研究地球内核与外核混合区域的相关问题。论文共同第一作者、LLNL物理学家盖亚·里吉表示，这项成果加深了对相变材料在极端条件下流动行为的认识，也展示了NIF强度实验平台在基础科学研究中的潜力。
