实验室中行星内部分化过程的模拟

本实验的总体目标是模拟行星内部的分异过程。首先将橄榄石、硅酸盐、铁粉和硫化铁均匀混合，然后将混合物装入高压装置中，以实现这一目标。

接下来，将组装样品在多面砧装置中加压至六吉帕，并加热至1800摄氏度。最后一步是回收样品并为其进行三维成像制备。最终，通过三维图像可视化硅酸盐和熔融金属的分布情况，并判断液态金属是否能够穿过结晶硅酸盐渗透形成金属核。

该方法有助于解答行星科学中的关键问题，例如通过渗透作用形成行星核的过程。首先准备用于模拟渗透过程的材料。在核形成过程中，于玛瑙研钵中制备约一克天然硅酸盐、橄榄石和金属铁粉的混合物，其中硫的质量分数为10%。

在乙醇中研磨，将起始材料混合成粉末，持续一小时。完成后，在100°C下将材料干燥一小时，取出干燥后的物料，待其冷却后，开始多面砧实验的准备工作。将起始材料装入一个CI氧化铝坩埚中，该坩埚直径约为1.5毫米，长度约为1.5毫米。

接下来，将胶囊置于带有电阻式样品加热器的高压腔组件中。此时，该腔体已准备好用于多面顶压机高压装置。将腔体组件安装到装置中，根据固定点压力校准曲线，将样品加压至目标压力，此处为六吉帕。

同时，使用电阻加热器将样品加热至1,800摄氏度的目标温度。在本实验中，需在该温度和压力条件下保持12小时。

实验完成后，关闭加热电源，将样品淬火至室温，并通过打开液压油阀在六小时内缓慢释放压力。最后，回收高压组件，样品分析采用聚焦离子束扫描电子显微镜进行。将样品安装并抛光，对其表面进行碳镀膜处理，以制备适用于仪器分析的样品。

然后将样品装入仪器的样品室中。将样品对准聚焦离子束与扫描电子显微镜在5 mm工作距离下的共焦点位置。对样品进行预切，暴露出一个15 × 20 × 20 立方微米的体积。

然后继续使用离子束逐层铣削，每层深度为25纳米。每去除一层后，对暴露的表面进行扫描电子显微镜成像。铣削完成后，将图像数据文件导入可视化软件，生成用于观察的三维图像。该三维重建图像来自一个淬火样品，该样品在6吉帕的压力下加热至1,800摄氏度。

高亮部分的体积代表铁和硫化铁熔体。其余体积由冰占据。该体积约为五乘六乘七立方微米。

图像显示，由于测得的润湿角较大，超过100度，金属熔体被截留在硅酸盐颗粒的角落处，如图所示。这种新的成像技术为精确测定真实的润湿角提供了强有力的工具。通过监测跨越临界角度时熔体分布的变化，可在较小的成分和压力区间内精确定位熔体从非连通网络向连通网络的转变过程。

该方法还可定量测量体积分数和连通性。这些三维图像为体积分数低于5%、具有不同金属硅酸盐比例的淬火样品。在较高体积分数下，液态金属形成孤立的液滴，而在其形成后则构成相互连通的网络结构。

该技术为实验、地球与行星科学领域的研究开辟了道路，通过结合可视化手段的实验模拟，探索行星核的形成过程。