极端条件下的密度测量问题

在地球科学中，矿物、岩石和熔体在高达几百万个大气压的压力和几千度的温度下的密度是至关重要的，因为它控制着长期的行星演化和火山过程。但如何在如此极端的条件下测量材料的密度呢?为了回答晶体矿物或岩石的这个问题，科学家们使用x射线衍射来测量周期性排列的原子之间的间距。然而，如果材料具有无序结构，即是非结晶的，如玻璃或熔融岩石，则存在问题。在这种情况下，样品的体积必须直接测量——材料的密度等于它的质量除以体积。然而，由于样品在高压下的体积很小，因此这种测量是极其困难的。以前，这些测量需要大型x射线设备和高度专业化的设备，因此非常昂贵。现在，由GFZ德国地球科学研究中心的科学家谢尔盖·洛巴诺夫领导的一个研究小组正在介绍一种新方法，利用鞋盒大小的激光，他们可以测量样品在压力下的体积，这种压力与地球2000多公里深处的压力相似。

在地球内部，岩石承受着难以想象的高压，比正常大气压高出数百万倍。然而，与普遍的看法相反，地球的地幔不是液体，而是固体。岩石表现为粘塑性:它每年移动厘米，但在锤击下会破裂。然而，缓慢的运动驱动着地球的地壳板块和构造，这反过来又引发了火山活动。例如，由俯冲的地壳板块挤压出的水引起的化学变化可以改变岩石的熔点，从而突然形成熔融岩浆。当这些岩浆到达地壳和地表时，火山爆发就发生了。

无序物质的密度

世界上没有任何仪器可以穿透地幔来详细研究这些过程。因此，人们必须依靠计算、地震信号和实验室实验来更多地了解地球内部。金刚石砧细胞可以用来产生在那里普遍存在的极高的压力和温度。其中探索的样本比大头针的尖端还小。它们的体积在亚纳升范围内(例如，比1毫升至少小1000万倍)。当材料在如此高的压力下被压缩时，其内部结构发生了变化。为了精确地分析这一点，人们在晶体上使用x射线来产生衍射图样。这样就可以得出关于晶格体积的结论，从而也可以得出材料密度的结论。非晶体材料，如玻璃或熔融岩石，到目前为止都不对外透露其内部的秘密。这是因为对于无序材料，x射线衍射不能提供其体积和密度的直接信息。

简单的技巧:用激光代替x射线进行测量

谢尔盖·洛巴诺夫(Sergey Lobanov)领导的研究人员使用一个简单的技巧，成功地测量了二氧化硅(SiO)的折射率和密度₂玻璃是工业和地质中最重要的材料之一，在高达110千兆帕的压力下。这是在地球内部2000多公里深处普遍存在的压力，比正常大气压高110万倍。研究人员使用多色激光来测量加压样品反射的亮度。激光反射的亮度包含了折射率的信息，折射率是描述光在穿过材料时如何变慢和弯曲的基本材料属性，但也包含了激光在样品内部的路径长度。具有高折射率和高密度的材料，如钻石和金属，在我们的眼睛看来通常是明亮而有光泽的。洛巴诺夫和他的同事们没有用肉眼观察微小的样品，而是使用了一台功能强大的光谱仪来记录高压下亮度的变化。这些测量得到了SiO的折射率₂并提供了量化其密度的关键信息。

玻璃密度测量在地球科学中的意义

“45亿年前，地球是一个巨大的熔岩球。为了了解地球是如何冷却并产生固体地幔和地壳的，我们需要知道在极端压力下熔融岩石的物理性质。然而，研究高压下的熔体是极具挑战性的，为了规避这些挑战，地质学家选择研究玻璃而不是熔体。玻璃是由快速冷却热但粘稠的熔体制成的。因此，玻璃的结构通常代表了形成它们的熔体的结构。以前在高压下测量玻璃密度需要大型和昂贵的同步加速器设备，这些设备产生紧密聚焦的x射线束，可以用来观察钻石砧细胞中的微小样品。这些都是具有挑战性的实验，只有极少数玻璃的密度被测量到100万大气压的压力。我们现在已经证明，任何透明玻璃的样品体积和密度的演变都可以使用光学技术精确地测量到至少110 GPa的压力，”Lobanov说。“这可以在同步加速器设施之外完成，因此更容易，成本更低。因此，我们的工作为未来对玻璃的研究铺平了道路，这些玻璃接近地球现在和很久以前的融化。 These future studies will provide new quantitative answers about the evolution of the early Earth as well as the driving forces behind volcanic eruptions."

研究非结晶、最初不透明固体的新可能性

由于样品非常小，因此非常薄，即使是看起来像大块岩石的材料也会变得半透明。根据研究人员的说法，这些发展为研究非晶体固体的机械和电子特性开辟了新的可能性，这些固体在更大的体积上看起来是不透明的。据该研究的作者称，他们的发现对材料科学和地球物理学有着深远的影响。此外，这些信息可以作为玻璃和熔体在极端条件下输运性质计算研究的基准。

洛巴诺夫强调，这种研究只有在GFZ的学院环境下才有可能。他领导着一个名为CLEAR的亥姆霍兹青年研究小组，隶属于“地质材料的化学和物理”部门。“我们在高压下探测样品的实验能力只是一方面，”洛巴诺夫说，“至少与其他部门的同事讨论同样重要，这有助于我发展和实施这些想法。”