论文部分内容阅读
研究行星内部的构造和材料成分一直是高压科学的焦点课题。近年来,有关天王星和海王星内部的结构模型和反常磁场起源问题取得了重要进展:三层结构模型被提出,用来划分其内部的材料成分;薄层导电流体层模型被成功用于解释天王星和海王星的反常磁场。然而,三层结构模型内部材料成分的存在形式,以及产生反常磁场的薄层导电流体是何种物质仍是亟待解决的关键科学问题。本论文针对上述科学问题,利用晶体结构预测方法和第一性原理分子动力学模拟,从天王星和海王星内部的化学成分入手,选取了H-O体系作为研究对象,开展了其在高压下的结构和物性研究,获得了如下创新性成果:1.利用课题组自主开发的卡里普索晶体结构预测方法与软件,开展了氢-氧体系在高压下的晶体结构搜索,发现了反常化学计量配比的H3O高压相。进一步计算表明H3O在天王星和海王星内部压力条件下热力学和动力学都稳定。这一结果丰富了天王星和海王星内部的化学组分。H3O的晶体结构为H-O形成骨架,骨架间隙处存在氢分子。零点能计算表明间隙处的氢分子即使在0 K下也能通过零点振动能产生旋转。2.利用第一性原理分子动力学模拟,揭示了H3O随温度升高从固相到超离子相,再到流体相的转变。从H3O的P-T相图中发现,天王星和海王星的等熵线恰好穿过了H3O的流体相区域,表明H3O以薄层流体形式存在于天王星和海王星内部。电子态密度和电导率的计算均表明,H3O的流体相具有金属性。而薄层导电流体材料恰好是解释天王星和海王星反常磁场的关键材料。这不仅为阐明天王星和海王星的异常磁场形成的物理机制提供了材料基础,也为理解其它系外冰巨行星内部的结构和演化提供了新途径。3.利用第一性原理分子动力学方法研究了H3O+C这一混合物体系。模拟发现,H3O能在高温高压下与金刚石反应,形成新的化合物。C元素的引入,显著提高了H3O体系费米能级处的电子态密度,增强其导电性。且随着C元素浓度的升高,费米能级处的态密度增加显著。研究结果对于天王星和海王星反常磁场的研究具有重要意义。