В Scientific Reports опубликовано новое исследование ученых ИЗК СО РАН

В мартовском номере журнала Scientific Reports (импакт-фактор 5,228) вышла публикация «Thermodynamics and Equations of State of Iron to 350 GPa and 6000 K», авторы П.И. Дорогокупец, А.М. Дымшиц, К.Д. Литасов, Т.С. Соколова.

В статье рассмотрены термодинамические модели уравнений состояния твердых и жидкой фазы железа, подробно обсуждается калибровка уравнений состояния bcc, fcc, hcp, liq-Fe, положение тройной точки fcc-hcp-liq на Р-Т диаграмме, зависимость линии плавления железа в зависимости от разных предположений, проведено сравнение с сейсмологической моделью PREM рассчитанной плотности, адиабатического модуля сжатия и скорости продольных волн. В дополнении (Supplementary) приведено сравнение энтропии и объема, рассчитанные различными методами, в четырех таблицах представлены рассчитанные термодинамические свойства твердых и жидкой фазы железа. Кроме того, в дополнении можно найти четыре Excel файла, с помощью которых можно самостоятельно рассчитать термодинамику железа в зависимости от температуры и давления или в зависимости от температуры и объема.

Аннотация. Уравнения состояния твердых фаз железа (bcc (a-Fe), fcc (g-Fe), hcp (e-Fe)) и жидкой фазы (liq-Fe) были построены путем совместной оптимизации теплоемкости, модулей сжатия, термического расширения и объема при комнатной и повышенных температурах и давлениях. Рассчитанные тройные точки на фазовой P-T диаграмме железа имеют следующий параметры: 7.3 ГПа и 820 К для bcc-fcc-hcp, 5.2 ГПа и 1998 для bcc-fcc-liq, 106.5 ГПа и 3787 К для fcc-hcp-liq. При P-T условиях вблизи тройной точки fcc-hcp-liq наклон линии перехода fcc-liq  составляет dT/dP = 12.8 К/ГПа, тогда как для линия перехода hcp-liq имеем dT/dP = 13.7 К/ГПа. Поэтому линия hcp-liq пересекается с метастабильной линией fcc-liq при давлении около 160 ГПа. В условиях высоких давлений метастабильная линия bcc-hcp находится внутри полей стабильности fcc-Fe или жидкого железа. Были рассчитаны плотность, адиабатический модуль сжатия и скорости продольных волн (P-wave velocity) жидкого железа при адиабатических условиях стартующих от давления 328.9 ГПа и температуре 5882 К (граница внешнего и внутреннего ядра Земли) и проведено их сравнение с сейсмологической моделью PREM. По нашей модели дефицит плотности hcp-Fe на границе внутреннего ядра Земли составляет 4.4 % при T = 5882 K and P = 328.9 GPa.