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为探究矿物在冲击下的相变，理解行星形成与陨石历史，研究人员开展柯石英在激光驱动冲击下的研究。结合快速 XRD 和分子动力学模拟，发现其复杂相变路径，为早期行星地质历史研究提供线索。
在浩瀚宇宙中，行星的形成与演化一直是科学界热衷探索的谜题。而矿物在冲击下的相变，就像隐藏在这些谜题中的关键密码，等待着科学家们去解开。二氧化硅（SiO
2）作为地球上、类地行星以及岩石陨石中极为丰富的矿物，其在高压冲击下的相变过程，对于揭示早期行星如何在撞击中成型、陨石的演化历史以及宜居条件的诞生，有着至关重要的意义。
此前，虽然对受冲击的熔融石英和石英进行了一些短脉冲 X 射线衍射（XRD）研究，在一定程度上明确了它们在混合相区域的结构，也凸显出二者不同的动力学行为，甚至对传统认为的静态冲击压缩过程中均匀相变路径的假设提出了挑战，但这些研究主要集中在 65GPa 以下的压力范围。对于更高压力下二氧化硅的行为，尤其是在熔化前非平衡过热阶段的动力学，仍然知之甚少。柯石英作为一种比熔融石英密度高 33%、比石英密度高 20% 的高压二氧化硅相，且具有与它们相同的四面体配位结构，自然成为了揭示二氧化硅多晶型动态机制的下一个关键研究目标。然而，关于柯石英在冲击加载下的相变假设，一直缺乏直接证据，其相演化路径也从未被深入探究过。
为了填补这些知识空白，来自吉林大学的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们通过激光驱动冲击技术，结合快速 XRD 和基于机器学习的分子动力学模拟（ML-MD），深入探究了柯石英在冲击下的结构演变。这项研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为我们理解二氧化硅在极端压力下的性质，以及行星撞击过程中柯石英的命运，带来了全新的视角。
研究人员运用了多种关键技术方法。在实验方面，他们利用激光驱动冲击，在纳秒时间尺度上对柯石英施加高达 131GPa 的压力，模拟极端冲击条件。通过速度干涉仪系统（VISAR）精确测量冲击波从柯石英自由表面的出射时间和在样品中的传播时间。借助时间分辨的 X 射线自由电子激光（XFEL），在不同时间延迟下对样品进行探测，获取其结构信息。在模拟方面，运用基于多尺度冲击技术（MSST）的 ML-MD 模拟，深入分析冲击下柯石英的热力学和结构演变过程。
研究结果
- 最早时间延迟下受冲击柯石英的结构：实验中，通过 VISAR 和流体动力学模拟确定了冲击波到达不同位置的时间。在最高压力（PEOS≈131GPa）下，4.5ns 时检测到液态相，5ns 时出现 d-NiAs 型二氧化硅晶体。在不同压力下，d-NiAs 型二氧化硅呈现出不同的衍射特征，如 131GPa、5ns 时呈现光滑粉末环，41GPa、6.5ns 时出现方位角相关的斑点图案，这表明其结构随压力变化而变化。
- 相同冲击条件下的实验相演化：在 131GPa 冲击下，柯石英的相演化可分为两个阶段。4.5ns 时为过冷液体，5ns 时 d-NiAs 型二氧化硅快速成核结晶，6.5ns 时转变为赛弗特石，8ns 时赛弗特石部分转变为斯石英，9ns 时样品处于释放后状态，部分为液态，10ns 时形成柯石英。
- 非平衡 Hugoniot 状态的模拟结构演变：ML-MD 模拟结果与实验相符。20ps 初始压缩时，柯石英转变为高度无序的过冷液体，0.3ns 时出现 d-NiAs 型二氧化硅衍射峰，随后晶粒密度和结晶度发生变化。模拟还揭示了晶体结构中原子的配位情况和相转变机制，如 d-NiAs 型相从过冷液体中形核，赛弗特石在高压下更稳定，减压时转变为斯石英和柯石英。
- 柯石英的冲击 Hugoniot 曲线：受冲击的柯石英存在过热状态，模拟发现其温度受晶体取向影响。压力超过 109GPa 时，结晶速度极快导致温度骤升；压力高于 130GPa 时，柯石英直接转变为典型液态，不再发生成核和结晶过程。
研究结论与讨论
研究总结了不同冲击压力下柯石英的时间分辨相变路径，其相演化过程与熔融石英和 α- 石英不同。柯石英在冲击后回转变为柯石英的现象与传统认知相悖，可能与动力学效应有关，但还需进一步实验验证。该研究为后斯石英相的形成提供了线索，根据研究推测，月球陨石 NWA 4734 的最大冲击压力可能达到 100GPa，但天然赛弗特石中其他元素的存在会影响相边界和冲击压力的估算。
总的来说，这项研究首次揭示了纳秒级冲击下柯石英复杂的结构演变路径，为理解二氧化硅多晶型在冲击下的行为提供了关键依据，有助于我们深入了解早期行星地质历史中硅酸盐矿物的冲击响应和热化学动力学条件，为行星科学研究开辟了新的方向，也为后续相关研究奠定了坚实的基础。
