像地球这样的行星的地幔对流和相关的板块构造是由地幔岩石的变形控制的。这种变形是由于矿物晶格中缺陷的运动而发生的。因此，这些结构缺陷在压力下的物理性质对类地行星的动力学具有深远的影响。
爱媛大学地球动力学研究中心前博士后，现乌得勒支大学地球科学系研究员Sebastian Ritterex博士带领我们的合作研究团队，应用基于量子力学原子尺度建模的大规模并行高性能计算机模拟，揭示了在行星内部普遍存在的极端压力下晶界的神秘行为。这种被称为“从头模拟”的理论方法使我们能够非常准确地计算化学键。它是在难以进行实验的行星内部极端条件下确定材料性质的有力工具。
基于上述理论矿物物理方法，我们的团队研究了(Mg,Fe)O铁方长石的高角度倾斜晶界的力学行为和热力学性质。(Mg,Fe)O铁方长石是地球下地幔中含量第二丰富的矿物，也可能存在于超级地球系外行星的地幔中。本研究在标准密度泛函理论的基础上，采用内一致LDA+U法更精确地再现了铁的电子结构。
力学行为的结果表明，类地行星中非常高的压力条件对控制晶间变形的晶界运动机制有很强的影响(图1)。我们的研究首次证明，随着行星地幔深度的增加，压力引起的晶粒界面结构转变引发了晶界运动机制和方向的变化。我们还证明了在几兆巴的压力下，晶界会发生明显的机械弱化(图1)。这是违反直觉的，因为人们通常认为，随着压力的增加，材料中的原子排列变得更加紧密，使它们变得更硬。这种晶界弱化现象是由于晶界在极高的压力下运动时，晶界的过渡态结构发生了变化。他们在2024年4月发表的《地球物理研究杂志:固体地球》上发表的数据分析表明，铁长石的晶界减弱是超级地球系外行星地幔深度增加时粘度降低的潜在机制之一。
我们的团队对铁在体和晶界之间的分配行为进行了额外的热力学建模。我们确定晶粒尺寸是控制高温致密下地幔中多晶铁方长石中铁晶界偏析的重要因素。众所周知，由于Fe(II)在地球内部的高压下会经历电子自旋跃迁，因此在大块MgO中加入替代的Fe(II)对其物理性质(如密度和地震波速度)有显著影响。以前没有关于Fe(II)晶界内自旋态的研究。我们的模型现在表明，铁方长石倾斜晶界内Fe(II)的电子自旋状态是由地球下地幔高压下的结构晶界转变控制的。这一机制影响了微米或更小晶粒(Mg,Fe)O多晶中铁自旋交叉的压力条件。研究结果表明，相对于下地幔中较热稳定的区域，在动态活跃的细粒下地幔区域，由于压力引起的结构晶界转变，铁方长石中的铁自旋交叉压力可能增加几十GPa。
我们的团队对这些突破感到非常高兴，然而，在适当的压力和温度下，需要从理论建模、实验和电子显微镜观察中获得更多系统的数据，以更好地了解晶界对多晶方铁长石流变学和热力学性质的集体影响。
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我是郑大高科的签约作者“兰生”！
希望本篇文章《行星内核中的晶界强度减弱》能对你有所帮助！
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