IJzerrijke Fe-O-verbindingen bij de kerndrukken van de aarde. Krediet: Jin Liu
Zuurstof is de belangrijkste substantie voor het leven en een van de meest voorkomende elementen op aarde. Het is echter nog onbekend of en in welke vorm zuurstof aanwezig is in de binnenste kern, die is samengesteld uit bijna puur ijzer en onderhevig is aan extreem hoge druk- en temperatuuromstandigheden.
Nu onthullen wetenschappers dat Fe-rijke Fe-O-legeringen stabiel zijn bij extreme drukken van bijna 300 GPa en hoge temperaturen van meer dan 3.000 K (~ 5.000 graden F). De resultaten bewijzen dat er zuurstof kan bestaan in de vaste binnenkern, wat belangrijke beperkingen biedt voor een beter begrip van het vormingsproces en de evolutiegeschiedenis van de kern van de aarde. De studie, die mede werd geleid door Dr. Jin Liu van HPSTAR (het Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research) en Dr. Yang Sun van Columbia University, werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift De innovatie.
Als een van de meest mysterieuze plekken op aarde bevindt de vaste binnenkern van de aarde zich in de meest extreme temperatuur- en drukomgeving op aarde, met een druk van meer dan 3 miljoen atmosfeer en een temperatuur dicht bij het oppervlak van de zon, ongeveer 6000 K (~ 10.000 graden F). Omdat de binnenste kern ver buiten het bereik van mensen ligt, kunnen we de dichtheid en chemische samenstelling ervan alleen afleiden uit de seismische signalen die door aardbevingen worden gegenereerd.
Momenteel wordt aangenomen dat er lichte elementen in de binnenste kern bestaan, maar over het type en de inhoud wordt nog steeds gedebatteerd. Kosmochemisch en geochemisch bewijs suggereert dat het zwavel, silicium, koolstof en waterstof zou moeten bevatten. Experimenten en berekeningen bevestigden ook dat deze elementen zich vermengen met puur ijzer om verschillende Fe-legeringen te vormen onder hoge temperaturen en hoge drukomstandigheden van de diepe aarde.
Zuurstof, die nauw met ons verwant is, wordt echter meestal uitgesloten van de binnenste kern. Dit komt vooral omdat Fe-O-legeringen met ijzerrijke samenstellingen nooit zijn gevonden in de oppervlakte- of mantelomgevingen. Het zuurstofgehalte in alle bekende ijzeroxiden is groter dan of gelijk aan 50 atoomprocent. Hoewel mensen hebben geprobeerd ijzeroxideverbindingen te synthetiseren met ijzerrijke samenstellingen, zijn dergelijke stoffen nog nooit gevonden. Is de binnenste kern van de aarde zo « anoxisch? » Om deze vraag te beantwoorden is in dit onderzoek een reeks experimenten en theoretische berekeningen uitgevoerd.
Om dicht bij de temperatuur en druk van de kern van de aarde te komen, werden puur ijzer en ijzeroxide op de uiteinden van twee diamanten aambeelden geplaatst en verwarmd met een hoogenergetische laserstraal. Na vele pogingen werd ontdekt dat een chemische reactie tussen ijzer en ijzeroxide plaatsvindt boven 220-260 GPa en 3000 K. De XRD-resultaten laten zien dat het reactieproduct verschilt van de gebruikelijke structuur bij hoge temperatuur en hoge druk van puur ijzer en ijzeroxide.
Een theoretisch onderzoek naar de kristalstructuur met behulp van een genetisch algoritme bewees dat het ijzerrijke Fe-O legering zou stabiel kunnen bestaan op ongeveer 200 GPa. Onder dergelijke omstandigheden vormen de nieuwe Fe-rijke Fe-O-legeringen een zeshoekige dicht opeengepakte structuur, waarbij de zuurstoflagen tussen de Fe-lagen zijn aangebracht om de structuur te stabiliseren. Een dergelijk mechanisme produceert veel dicht op elkaar gepakte arrangementen die een grote familie vormen van Fe-rijke Fe-O-verbindingen met grote configuratie-entropie.
Op basis van deze theoretische informatie, een atomaire configuratie van Fe28O14 bleek overeen te komen met het experimenteel gemeten XRD-patroon. Verdere berekeningen toonden aan dat Fe-rijke Fe-O-fasen metallisch zijn, in tegenstelling tot gewone ijzeroxiden bij lage druk. De elektronische structuur hangt af van de O-concentratie en de Fe- en O-lagen. De mechanische eigenschappen en thermische eigenschappen van de legering moeten in de toekomst verder worden bestudeerd.
Referentie: « IJzerrijke Fe-O-verbindingen bij de kerndrukken van de aarde » door Jin Liu, Yang Sun, Chaojia Lv, Feng Zhang, Suyu Fu, Vitali B. Prakapenka, Caizhuang Wang, Kaiming Ho, Jungfu Lin en Renata M. Wentzcovitch, 15 november 2022, De innovatie.
DOI: 10.1016/j.xinn.2022.100354
