图 (a) 硅酸镁液体的结构异质性,(b) 黏度随温度和压力的变化曲线
在国家星空彩票官方苹果版项目（批准号：92370118）等资助下，西北工业大学牛海洋教授团队与海外合作者在硅酸镁液体结构的研究上取得进展，相关研究成果以“硅酸镁液相的结构异质性及其与动力学性质的关联（Structural Heterogeneity of MgSiO3 Liquid and Its Connection with Dynamical Properties）”为题于2025年5月22日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上，论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.204101。
早期地球经历一次毁灭性碰撞后形成了全球性岩浆海洋。硅酸镁液相是岩浆海洋的关键组分，其微观结构与动力学性质深刻影响着地球深部的物质流动和物相演化。深入理解该液相的结构特征，是揭示深地幔条件下硅酸镁熔体致密化机制与黏度异常行为的关键。然而，其原子尺度结构特征、致密化机制及与动力学性质之间的关联仍未得到系统认识，黏度异常的结构起源亦存在广泛争议。
针对上述问题，研究团队基于机器学习辅助的分子动力学方法（Deep Potential Molecular Dynamics），对硅酸镁液相的结构和动力学行为开展了系统研究。团队首次系统揭示了硅酸镁液相中的结构异质性特征，即富镁与富硅区域在空间分布上呈现独立分布特征。量化分析表明，这种结构异质性随压力的演化是非单调的：其区域尺度和分布趋势的变化，与硅酸镁液相黏度异常行为高度相似。在8 GPa时，结构异质性区域尺寸仅为数埃；而在高达140 GPa的压力下，大多数富集区域扩展至约1 nm，部分可达数纳米，结构更为致密。这一空间演化与富集区域中氧配位结构（如
和
）比例显著升高相对应。已有研究指出，
结构的增多是致密化机制的关键，本研究进一步发现
结构亦发挥关键作用，表明结构异质性不仅反映了原子局域尺度上的结构特征，更为致密化行为提供了全新解释。研究进一步通过Green-Kubo关系计算体系的黏度，确认其在特定条件下存在随压力“先降后升”的异常现象。基于Maxwell关系，将黏度估算的弛豫时间与结构异质性区域的寿命进行对比，发现两者显著相关，尤其是Mg富集区域的寿命与弛豫时间高度吻合，这直接揭示了结构异质性与黏度异常的内在关联。为确定其关联关系，团队设计了“去异质性”偏置势模拟，通过打散局部富集结构，发现黏度异常现象完全消失，从而证实结构异质性正是黏度异常的结构起源。
这一研究揭示了高压硅酸镁液相中普遍存在的结构异质性。该发现不仅为理解压力驱动的液相致密化行为提供了新视角，也明确了结构异质性在黏度异常行为中的关键作用。研究成果深化了对极端条件下地幔硅酸盐熔体结构–动力学关系的认识，增进了对地球深部动力学机制的微观理解。