Τα άτομα σιδήρου σχηματίζουν μια άκαμπτη εξαγωνική πυκνή συσκευασία (hcp), με ένα υποσύνολο αυτών των ατόμων να επιδεικνύει συλλογική κίνηση κατά μήκος των κατευθύνσεων [100] και [010]. Μέσα σε αυτό το κρυσταλλικό πλέγμα σιδήρου hcp, τα διάμεσα ελαφρά στοιχεία διαχέονται ελεύθερα με υγρόμορφο τρόπο, ενώ τα υποκατάστατα ελαφρά στοιχεία παραμένουν περιορισμένα στις αντίστοιχες θέσεις του πλέγματος υποκατάστασης. Κατά συνέπεια, ο εσωτερικός πυρήνας της Γης υπάρχει σε μια υβριδική κατάσταση στερεάς και υγρόμορφης συμπεριφοράς. Φωτογραφία: Huang et al.
Λύθηκε το μεγάλο μυστήριο των σεισμών: Επιστήμονες ανακάλυψαν μια νέα κατάσταση της ύλης στο κέντρο της Γης
Λύθηκε το μεγάλο μυστήριο των σεισμών: Επιστήμονες ανακάλυψαν μια νέα κατάσταση της ύλης στο κέντρο της Γης. Φωτογραφία: Freepik
Κινέζοι ερευνητές ανακάλυψαν ότι ο διάμεσος άνθρακας ( (interstitial carbon) σε κράματα σιδήρου-άνθρακα συμπεριφέρεται σε μια υπεριοντική, υγρόμορφη κατάσταση υπό συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που επικρατούν στον πυρήνα της Γης.
Κάτω από τον λιωμένο εξωτερικό πυρήνα της Γης βρίσκεται μια στερεή κεντρική περιοχή, ο εσωτερικός πυρήνας, μια συμπαγής σφαίρα από κράμα σιδήρου και ελαφρά στοιχεία, η οποία συμπιέζεται από περισσότερες από 3,3 εκατομμύρια ατμόσφαιρες και θερμαίνεται σε θερμοκρασίες συγκρίσιμες με αυτές της επιφάνειας του Ήλιου.
Για πολλά χρόνια, οι ερευνητές δυσκολεύονταν να εξηγήσουν την ασυνήθιστη συμπεριφορά του: αν και είναι στερεός, συμπεριφέρεται σαν ένα απροσδόκητα μαλακό μέταλλο, επιβραδύνοντας τα σεισμικά κύματα διάτμησης και εμφανίζοντας λόγο Poisson πιο κοντά σε αυτόν του βουτύρου παρά του χάλυβα. Αυτό έχει εγείρει ένα μακροχρόνιο ερώτημα σχετικά με το πώς το στερεό κέντρο του πλανήτη μπορεί να φαίνεται ταυτόχρονα σταθερό και απροσδόκητα εύκαμπτο.
Μια σημαντική μελέτη που δημοσιεύθηκε στο National Science Review παρέχει τώρα μια ισχυρή εξήγηση. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι ο εσωτερικός πυρήνας της Γης δεν συμπεριφέρεται καθόλου σαν ένα συνηθισμένο στερεό. Αντίθετα, βρίσκεται σε μια υπεριοντική κατάσταση, όπου ελαφρά στοιχεία κινούνται μέσα σε ένα άκαμπτο πλέγμα σιδήρου με κινητικότητα υγρού. Αυτό το εύρημα αναδιαμορφώνει τις επιστημονικές απόψεις για το τι συμβαίνει βαθιά μέσα στον πλανήτη.
Η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον καθηγητή Youjun Zhang και τον δρ. Yuqian Huang από το Πανεπιστήμιο Sichuan και τον καθηγητή Yu He από το Ινστιτούτο Γεωχημείας της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, απέδειξε ότι τα κράματα σιδήρου-άνθρακα μεταβαίνουν σε μια υπεριοντική φάση όταν υποβληθούν σε έντονη πίεση και θερμότητα. Σε αυτή τη μορφή, τα άτομα άνθρακα ταξιδεύουν γρήγορα μέσω του κρυσταλλικού πλαισίου του στερεού σιδήρου, μειώνοντας σημαντικά τη δυσκαμψία του.
«Για πρώτη φορά, δείξαμε πειραματικά ότι το κράμα σιδήρου-άνθρακα υπό τις συνθήκες του εσωτερικού πυρήνα παρουσιάζει αξιοσημείωτα χαμηλή ταχύτητα διάτμησης», δήλωσε ο καθηγητής Zhang. «Σε αυτή την κατάσταση, τα άτομα άνθρακα γίνονται εξαιρετικά κινητικά, διαχέονται μέσω του κρυσταλλικού πλαισίου του σιδήρου σαν παιδιά που πηγαινοέρχονται σε square dance (σ.σ. είδος χορού στον οποίο τέσσερα ζευγάρια χορεύουν αντικριστά), ενώ ο ίδιος ο σίδηρος παραμένει στερεός και δομημένος». Αυτή η αποκαλούμενη “υπεριοντική φάση” μειώνει δραματικά την ακαμψία του κράματος.
Αν και τα υπολογιστικά μοντέλα είχαν υποδείξει μια τέτοια κατάσταση ήδη το 2022, η άμεση πειραματική απόδειξη παρέμενε ασαφής μέχρι τώρα. Χρησιμοποιώντας μια πλατφόρμα δυναμικής συμπίεσης κρούσης (dynamic shock compression platform), η ομάδα επιτάχυνε δείγματα σιδήρου-άνθρακα σε ταχύτητες 7 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο, δημιουργώντας πιέσεις έως και 140 γιγαπασκάλ και θερμοκρασίες κοντά στους 2600 κέλβιν — συνθήκες παρόμοιες με αυτές του εσωτερικού πυρήνα.
Συνδυάζοντας επιτόπιες μετρήσεις ταχύτητας ήχου με προηγμένες προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, οι επιστήμονες παρατήρησαν μια απότομη πτώση στην ταχύτητα των κυμάτων διάτμησης και μια αύξηση στον λόγο Poisson — ταιριάζοντας με τα «μαλακά» σεισμικά σήματα που ανιχνεύονται βαθιά μέσα στη Γη. Σε ατομική κλίμακα, τα αποτελέσματα αποκάλυψαν άτομα άνθρακα να γλιστρούν ελεύθερα μέσα από το πλέγμα σιδήρου, αποδυναμώνοντας την ακαμψία του χωρίς να καταστρέφουν τη δομή του.
Το υπεριοντικό μοντέλο όχι μόνο εξηγεί τις αινιγματικές σεισμικές ιδιότητες του πυρήνα, αλλά ανοίγει επίσης νέες προοπτικές για την εσωτερική δυναμική της Γης. Η κίνηση των ελαφρών στοιχείων θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξήγηση της σεισμικής ανισοτροπίας — των διακυμάνσεων στις ταχύτητες των κυμάτων ανάλογα με την κατεύθυνση — και μπορεί ακόμη και να επηρεάσει το μαγνητικό πεδίο της Γης.
«Η ατομική διάχυση μέσα στον εσωτερικό πυρήνα αντιπροσωπεύει μια πηγή ενέργειας που μέχρι τώρα είχε παραβλεφθεί», δήλωσε η δρ Huang. «Εκτός από τη θερμότητα και τη μεταφορά λόγω σύστασης, η ρευστοειδής κίνηση των ελαφρών στοιχείων μπορεί να συμβάλει στην τροφοδότηση της μαγνητικής μηχανής της Γης.»
Τα ευρήματα επιλύουν επίσης μακροχρόνιες συζητήσεις σχετικά με το πώς συμπεριφέρονται τα ελαφρά στοιχεία υπό ακραίες πιέσεις. Προηγούμενες μελέτες επικεντρώθηκαν σε ενώσεις ή κράματα υποκατάστασης, αλλά αυτή η έρευνα υπογραμμίζει τη σημασία των διάμεσων στερεών διαλυμάτων — ειδικά εκείνων που περιλαμβάνουν άνθρακα — στον καθορισμό των ιδιοτήτων του πυρήνα.
Σύμφωνα με τον καθηγητή Zhang, η ανακάλυψη σηματοδοτεί μια αλλαγή στον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες βλέπουν το κέντρο της Γης. «Απομακρυνόμαστε από ένα στατικό, άκαμπτο μοντέλο του εσωτερικού πυρήνα και κινούμαστε προς ένα δυναμικό», εξήγησε. Πέρα από τη Γη, η ανακάλυψη μιας υπεριοντικής φάσης θα μπορούσε επίσης να ρίξει φως στη μαγνητική και θερμική εξέλιξη άλλων βραχωδών πλανητών και εξωπλανητών.
Όπως σημειώνει ο Zhang: «Η κατανόηση αυτής της κρυμμένης κατάστασης της ύλης μάς φέρνει ένα βήμα πιο κοντά στην αποκάλυψη των μυστικών των εσωτερικών δομών πλανητών παρόμοιων με τη Γη».