地球大氣壓強220萬倍的極端狀態下，科學家發現黃金的新結構

科學家們剛剛發現了有關黃金的有趣現象。在短短几納秒內施加極壓時，這種元素的原子結構會發生變化，變得更像其它金屬。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的物理學家理查德·布里格斯表示，他們在黃金中發現了一種新的結構，這種結構存在於極端超高壓力狀態下，相當於地球中心壓強的三分之二。這是科學家首次在黃金中觀察到這種結構狀態，這些特性可以幫助科學家進一步理解元素在壓力下的行為。

黃金是一種迷人的元素。它的特性最不活躍，即便是在極高的壓力下，其晶體結構預期中仍然保持穩定。金原子的排列遵循所謂的「面心立方」(fcc)結構。簡而言之，黃金的原子形成立方體，每個角上都有一個原子，每個面的中心都有另一個原子。金、銀、鉑、銀、鋁和鎳都有這種結構。

之前的實驗已經表明，當在室溫下緩慢壓縮大約幾秒到幾分鐘，當壓力達到地球中心的三倍時，黃金的面心立方機構仍然處於穩定。基於這種特性，對於金剛石壓腔實驗中壓力標定非常有用，金剛石壓腔在實驗室里主要用於產生極端的超高壓力。

通常壓力是逐漸施加的，然而在幾納秒的衝擊壓縮下，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家們現在發現了一些不同尋常的現象。在223 GPa壓強下，相當于海平面上地球大氣壓的220萬倍，黃金重新排列成一個不那麼緊湊的「體心立方」(bcc)結構，當金屬從一種結構過渡到另一種結構時，這兩種結構共存。

顧名思義，bcc也是一個立方體結構，每個角上都有一個原子;但是在立方體的每個表面上並沒有原子，而是只有一個原子在其中心(見下圖)。許多金屬，包括較軟的金屬如鋰和鈉，以及較硬的金屬如鎢和鉻，都具有體心立方結構。

雖然物理學家曾經在鋼鐵等金屬製品中發現了fcc結構和bcc結構之間的轉變，但這種相變以前從未在黃金中記錄過。事實上，黃金的這種新結構在高壓下的填充效率比初始結構要低，考慮到大量的理論預測表明應該存在更緊密的填充結構，這樣的發現令人驚訝。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室研究團隊並沒有打算止步於223 GPa的超高壓強測試。在最初的衝擊之後，他們在加大壓強的同時跟蹤結構的變化。壓強超過250GPa時黃金開始融化，在壓強達到262 GPa時，相變完成。研究人員表示，觀察到液態黃金的平均績點達到330，令人震驚訝。相當於地球中心的壓強，比之前測量的高壓下的液態金的壓強高300多GPa。科學家此前從未在如此高的壓力下觀測過。

研究人員表示，這對於填寫黃金的相變圖確實很有吸引力，另外這一發現對製造業也有更廣泛的意義。例如，鐵既有fcc機構也有bcc結構，主要取決於其溫度，對於鋼鐵生產十分重要，相比bcc結構，高溫fcc結構下鐵可以吸收更多的碳。

但目前對相變的確切機制仍知之甚少。該項研究表明，由於溫度和壓力的原因，黃金經歷了相變，這可能有助於在未來的實驗中發現這種機制。

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