地核温压下“铁/镍-卤素”体系的相图与性质

Recently, the "missing halogen" paradox and the underlying condensded-mater physics problems have attracted a lot of attentions. Since the mising halogens might have been stored in earth's core as alloys/componds formed from reactions of iron/nickel with them, the phase diagrams and physical/chemical proporties of "Fe/Ni-Halogens" system at earth's core conditions may paly a key role in understanding the "missing halogen" paradox. However, those important information are still unavialable now. Here, we proposed a research program to study the phase diagrams and properties of the "Fe/Ni-Halogens" binaries by first-principles methods in combination with crystal structue prediction and hybride free enegery methods. More specifically, we will perform structure predictions for those binaries at various stoichiometrics and build the high-pressure/temperature phase digrams; investigate the equation of states, mechanism of phase transition, and vilocity of the stable binaries; study the charge transfer and chemical bondings; reveal the relastionship between pressure/temperature/stoichiometic and the physical/chemical properties. We anticipate the results are helpful in understanding the "missing helogen" paradox.

近年来备受关注的"地球初始地幔卤素亏损现象"蕴涵着许多重要的凝聚态物理问题。由于该现象或源于卤素与地核主要成分铁与镍反应生成了新物质，地核温压下"铁/镍-卤素"体系的相图和性质可能是理解该现象的关键，但相关研究还是空白，亟待展开。本项目拟采用第一性原理方法，结合晶体结构预测、杂化自由能计算等方法，研究地核温压下"铁/镍-卤素"系统的相图与性质：探索"铁/镍-卤素"系统的稳定化合物与固溶体结构，稳定化学配比，构筑高温高压相图；研究稳定化学配比化合物或固溶体的高温高压状态方程、相变机理、波速等物理性质；揭示原子电荷转移、化学成键等化学性质；探索压力、温度、化学组分与稳定化合物或固溶体的物理与化学性质之间的关联。本项目的实施能弥补"铁/镍-卤素"体系高温高压相图与性质的缺失，为理解"地球初始地幔卤素亏损现象"提供理论依据，为其它地核主要-次要/微量元素系统研究提供新思路。

近年来备受关注的“地球初始地幔卤素亏损现象”蕴涵着许多重要的凝聚态物理问题。由于该现象或源于卤素与地核主要成分铁/镍反应生成了新物质，地核温压下“铁/镍-卤素”体系的相图和性质可能是理解该现象的关键。本项目基于自洽准简谐理论发展了自由能计算新方法，结合团队发展的卡里普索晶体结构预测方法在较宽的化学配比范围内探索了铁/镍-卤素体系的高温高压相图，揭示了卤化铁/镍在高温高压下的结构稳定性规律：在地幔压力下，富卤化合物稳定；在地核压力下，富铁/镍化合物稳定。由此推断：假如在地球形成初期铁/镍富卤化物进入原始地核，那么随着地球体积增大内部压强升高地核中的卤素将不断被释放；若卤素仍有残余，则可能以稳定的富铁/镍卤化物形式存在于地核中。这为重卤素可能赋存于地核的假说提供了新的理论支撑。本项目共发表第一标注SCI学术论文9篇、第二标注SCI学术论文3篇；参研博士生4人全部获得博士学位毕业，其中1人出国做博士后研究；项目组两位教师分别作为第二和第三完成人获得2015年国家自然科学二等奖。