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王賢龍等合作團隊在高壓下氨-氦化合物研究方面取得進展
文章來源: 朱大梅 發布時間: 2020-07-02

  近期,中科院合肥研究院固體所計算物理團隊王賢龍研究員與江蘇師范大學李印威教授合作,采用第一性原理方法、基于粒子群優化算法的全局結構搜索方法和分子動力學方法研究了高壓下氨-氦化合物的物性,預測了系列穩定的氨-氦高壓化合物,指出氦并不像人們普遍認為的只能夠存在于天王星和海王星的大氣中,可能大量存在于其上地幔中。相關成果以“Formation of ammonia-helium compounds at high pressure”為題發表在《自然-通訊上。 

  氦是宇宙中含量第二的元素,占宇宙總質量的23%,僅次于氫。氦是一種惰性氣體元素,很難與其他元素形成化合物,地球上的氦主要以氣體形式存在于天然氣和放射性礦石中,含量非常稀少,屬于稀有氣體。研究發現天王星和海王星的大氣中存在大量氦氣。因為氦是惰性氣體元素,所以人們普遍認為在天王星和海王星等冰巨星的地幔中是不存在氦元素的。 

  團隊通過計算模擬得到了氨-氦在0300GPa05000K溫壓條件下的相圖,結果顯示,氨和氦在9GPa壓力下就能形成穩定的(NH3)2He化合物,9300GPa的壓力范圍內可以形成四種穩定的氨-氦化合物。有趣的是在Fmm2-(NH3)2He相中發生了由NH3(NH2)-(NH4)+的分解,H、HeN隨著溫度的升高會依次進入快速移動狀態,展現出豐富和復雜的相變行為。并且Fmm2-(NH3)2He相在天王星和海王星的下地幔溫壓范圍內也能夠以超離子態與液態混合的形式存在,說明氦也可能普遍存在于天王星和海王星的上地幔中。此工作加深了對高壓下氦化合物結構和物性的認識,對人類認知冰巨星具有重要意義。 

  該工作得到了國家自然科學基金和挑戰計劃等項目的支持。 

  文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-16835-z。 

   

  壓力下氨-氦化合物的相圖 

   

  分子動力學計算的Fmm2-(NH3)2He相在不同溫壓條件下的均方差位移和原子移動軌跡 

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