探索地球深处的奥秘一直是科学研究的前沿。地核，这个古老而神秘的领域，承载着地球深部形成和演变的关键信息。儒勒·凡尔纳在其科幻经典《地心游记》中将地核描绘为一个熔浆与海洋交织的奇异世界。实际上，凡尔纳的幻想并非完全无稽，真实的地核里确实存在固液共存的状态，这是由地核物质在极端高温高压下形成的特殊环境。

通过地震波信号，我们知道地核由液态的外核和固态的内核组成，它们分别位于地表下约2890公里和5150公里。内核的压强超过300万大气压，温度高达5000度以上。尽管内核位于地球的最深处，但它对整个地球的宜居性都有着重大贡献。内核无时无刻都在缓慢地结晶生长，这个过程释放的能量就如同一个暖炉，持续驱动外核液体的流动。外核的这种流动创造了地球的全球性地磁场，保护地表生物免受太阳风暴和宇宙射线的侵害。有趣的是，并非所有行星都具有固液共存的内外核结构，例如火星至今未发现有可观测的固态核心。地球固态内核的形成时机和机制仍是科学界探索的谜团。

图1. 地球深部结构示意图

除了形成历史，人们对内核当前状态的理解也十分有限。特别是内核的固体结构究竟如何，一直争议不断。在极端的温度和压力条件下，铁会形成六方密排结构和体心立方结构的晶相竞争，而这些晶体结构的物理特性差异显著。不同晶体结构的内核模型对我们理解地核的形成和状态有着重要影响。然而，由于六方密排结构和体心立方结构在能量上差异微小，科学界迄今无法确定哪种晶相更适合描述内核。

地核密度与地球化学模型表明，地核中除了铁外还含有镍和轻元素。镍作为地核中次于铁的第二大元素，含量约占5-15%。由于镍与铁相似的密度，镍元素对地核结构与形成的影响长期被认为微乎其微。厦门大学物理科学与技术学院孙阳副教授团队在研究地核条件下镍的物理特性时意外发现，在地核的压强和熔点温度附近，纯镍可以形成稳定的体心立方晶相。自由能计算表明镍的热力学性质在地核条件下与铁非常不同。这意味着以往仅用纯铁模型来研究内核结构可能存在偏差。基于这一发现，团队进一步研究了铁镍合金在地核条件下的结晶过程和晶体稳定性。研究表明，镍的加入显著加速铁镍熔体的形核过程，并产生了六方密排与体心立方混合的晶体结构。这表明内核可能不是单一结构，两种晶相的比例可能随镍含量的变化而变化，这种现象可能在内核中产生大尺度的分层结构。实际上，地震波信号一直在暗示可能存在“内内核”的结构。铁镍合金的性质或许能为这种结构提供物理解释。

图2. 铁镍合金在内核条件下的结晶过程

这项研究对理解地球内核的形成和结构具有重要意义。通过揭示镍在铁结晶过程中的作用，不仅加深了我们对地球内核物理状态的理解，还为地核的化学组成提供了新的视角。未来的研究可能会进一步探索铁、镍和其他元素在高压环境下的相互作用，以及这些相互作用如何影响内核的性质和生长。此外，这项研究还可能激发对其他类地行星核心物质的研究，推动行星科学的进展。

近日，相关研究成果以Unveiling the effect of Ni on the formation and structure of Earth's inner core为题发表在PNAS上(DOI: 10.1073/pnas.2316477121)。厦门大学孙阳副教授为该论文的第一作者和共同通讯作者，爱荷华州立大学的Mikhail I. Mendelev和纽约哥伦比亚大学的Renata M. Wentzcovitch教授为共同通讯作者。厦门大学物理学系为第一单位。该工作得到了国家自然科学基金（42374108）和美国NSF基金的支持，嘉庚超算中心和厦大信息与网络中心为地核模拟提供了超算支持。

文章链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2316477121

（物理科学与技术学院）