Кислород является ключевым веществом для жизни и одним из самых распространенных элементов на Земле. Однако до сих пор неизвестно, в какой форме и присутствует ли вообще кислород и во внутреннем ядре нашей планеты. Ученые под руководством доктора Цзинь Лю из HPSTAR (Центр передовых исследований науки и технологий в области высоких давлений) и доктора Ян Сунь из Колумбийского университета обнаружили, что богатые железом сплавы Fe-O стабильны при экстремальных давлениях около 300 ГПа и высоких температурах более 3000 К. Результаты, опубликованные в журнале The Innovation, доказывают, что кислород может существовать в твердом внутреннем ядре, что создает ключевые ограничения для дальнейшего понимания процесса формирования и истории эволюции Земли.

Твердое внутреннее ядро находится в самой экстремальной среде на Земле, с давлением более 3 миллионов атмосфер и температурой, близкой к поверхности Солнца, около 6000 К. Поскольку внутреннее ядро ​​находится далеко за пределами досягаемости человека, мы можем сделать вывод о его плотности и химическом составе только по сейсмическим сигналам, генерируемым землетрясениями. 

В настоящее время считается, что легкие элементы существуют во внутреннем ядре, но вопрос об их типе и содержании до сих пор остается спорным. Космохимические и геохимические данные свидетельствуют о том, что ядро должно содержать серу, кремний, углерод и водород. Эксперименты и расчеты также подтвердили, что эти элементы смешиваются с чистым железом с образованием различных сплавов при высоких температурах и давлении недр Земли.

Однако кислород обычно исключают из внутреннего ядра. В основном это связано с тем, что сплавы Fe-O с богатым железом составом никогда не обнаруживались на поверхности или в мантийной среде. Содержание кислорода во всех известных оксидах железа больше или равно 50 атомным процентам. Хотя люди пытались синтезировать соединения оксида железа с составом, богатым железом, такие вещества еще не были найдены. Является ли внутреннее ядро ​​Земли таким "бескислородным"? Для ответа на этот вопрос ученые провели ряд экспериментов и теоретических расчетов.

Чтобы приблизиться к температуре и давлению ядра Земли, чистое железо и его оксид были помещены на кончики двух алмазных наковален и нагреты высокоэнергетическим лазерным лучом. После многих попыток было обнаружено, что химическая реакция между железом и оксидом железа происходит за порогом в 220-260 ГПа и 3000 К. Результаты анализа показывают, что продукт реакции отличается от обычной высокотемпературной и высокобарической структуры чистого железа и его оксида. 

Теоретический поиск кристаллической структуры с использованием генетического алгоритма доказал, что богатый железом сплав Fe-O может стабильно существовать при давлении около 200 ГПа. В таких условиях новые сплавы с высоким содержанием железа образуют гексагональную плотноупакованную структуру, в которой кислородные слои расположены между слоями Fe для стабилизации структуры. Такой механизм создает множество плотноупакованных структур, образующих большое семейство богатых железом соединений с большой конфигурационной энтропией. 

На основе этой теоретической информации было обнаружено, что атомная конфигурация Fe28O14 соответствует экспериментально измеренной рентгенограмме. Дальнейшие расчеты показали, что богатые железом фазы Fe-O являются металлическими, в отличие от обычных оксидов железа при низких давлениях. Электронная структура зависит от концентрации O и расположения слоев Fe и O. Механические и термические свойства сплава нуждаются в дальнейшем изучении.