氧氣是生命的關鍵物質，是地球上最豐富的元素之一。然而，在幾乎由純鐵組成並處於極端高壓和高溫條件下的內核中，氧氣是否存在以及以何種形式存在仍然是一個未知數。現在，科學家揭示，富含鐵的Fe-O合金在近300GPa的極端壓力和超過3000K（約5000華氏度）的高溫下是穩定的。該結果證明了氧氣可以存在於固體內核中，這為進一步了解地核的形成過程和演化歷史提供了關鍵的製約因素。

這項研究由HPSTAR（高壓科學與技術高級研究中心）的劉進博士和哥倫比亞大學的孫楊博士共同領導，最近發表在《創新》雜誌上。

作為地球上最神秘的地方之一，地球的固體內核處於地球上最極端的溫度和壓力環境中，其壓力超過300萬個大氣壓，溫度接近太陽表面，約6000K（約10000華氏度）。由於內核遠非人類所能觸及，我們只能從地震產生的地震信號中推斷其密度和化學成分。

目前，人們認為內核中存在輕質元素，但其類型和含量仍有爭議。宇宙化學和地球化學證據表明，它應該含有硫、矽、碳和氫。實驗和計算也證實，這些元素與純鐵混合，在地球深處的高溫高壓條件下形成各種鐵合金。

然而，與我們密切相關的氧，通常認為被排除在內核之外。這主要是因為在地表或地幔環境中從未發現過富含鐵成分的鐵-氧合金。所有已知的鐵氧化物中的氧含量都大於或等於50個原子百分比。儘管人們一直在試圖合成具有富鐵成分的氧化鐵化合物，但這種物質還從未被發現。地球的內部核心是如此”缺氧”嗎？為了回答這個問題，本研究進行了一系列的實驗和理論計算。

為了接近地心的溫度和壓力，將純鐵和氧化鐵放在兩個鑽石砧的尖端，用高能激光束進行加熱。經過多次嘗試，發現在220-260GPa和3000K以上，鐵和氧化鐵之間發生了化學反應。XRD結果顯示，反應產物與純鐵和氧化鐵的常見高溫高壓結構不同。

使用遺傳算法進行的理論晶體結構搜索證明，富鐵的Fe-O合金可以在大約200GPa下穩定存在。在這樣的條件下，新的富含鐵的Fe-O合金形成了一個六邊形的緊密堆積結構，其中氧層被安排在鐵層之間以穩定結構。這樣的機制產生了許多密包排列，形成了一個具有大構型熵的富含鐵的Fe-O化合物大家族。

基於這一理論信息，發現Fe28O14的原子構型與實驗測量的XRD圖案相匹配。進一步的計算表明，富含Fe-O的相是金屬性的，與低壓下的普通鐵氧化物形成對比。電子結構取決於O的濃度以及鐵和O層的排列。該合金的機械性能和熱性能需要在未來進一步研究。