[논문 리뷰] Prediction of novel stable compounds in the Mg-Si-O system under exoplanet pressures

Haiyang Niu, Artem R. Oganov외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 11.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 34인용 수 3

한 줄 요약

양자 변수 조성 진화 구조 탐색을 활용하여, 이 연구는 거대 행성의 조건과 관련된 극한 압력에서 새로운 안정한 Mg-Si-O 화합물을 예측한다. 주요 발견은 0.51 TPa 이상에서 안정한 SiO3, 1.89 TPa 이상에서 안정한 SiO, 0.89 TPa 이상에서 안정한 MgO3, 그리고 각각 2.41 TPa 및 2.95 TPa 이상에서 안정한 고산화 상태의 MgSi3O12 및 MgSiO6로, 초지구의 복잡한 산화물 맨틀 형성 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

The Mg-Si-O system is the major Earth and rocky planet-forming system. Here, through quantum variable-composition evolutionary structure explorations, we have discovered several unexpected stable binary and ternary compounds in the Mg-Si-O system. Besides the well-known SiO2 phases, we have found two extraordinary silicon oxides, SiO3 and SiO, which become stable at pressures above 0.51 TPa and 1.89 TPa, respectively. In the Mg-O system, we have found one new compound, MgO3, which becomes stable at 0.89 TPa. We find that not only the (MgO)x(SiO2)y compounds, but also two (MgO3)x(SiO3)y compounds, MgSi3O12 and MgSiO6, have stability fields above 2.41 TPa and 2.95 TPa, respectively. The highly oxidized MgSi3O12 can form in deep mantles of mega-Earths with masses above 20 M+ (M+:Earth's mass). Furthermore, the dissociation pathways of pPv-MgSiO3 are also clarified, and found to be different at low and high temperatures. The low-temperature pathway is MgSiO3 -> Mg2SiO4 + MgSi2O5 -> SiO2 + Mg2SiO4 -> MgO + SiO2, while the high-temperature pathway is MgSiO3 -> Mg2SiO4 + MgSi2O5 -> MgO + MgSi2O5 -> MgO + SiO2. Present results are relevant for models of the internal structure of giant exoplanets, and for understanding the high-pressure behavior of materials.

연구 동기 및 목표

• 암석성 외계행성과 관련된 극한 압력 조건에서 Mg-Si-O 계의 안정한 화합물을 예측하기 위해.
• 행성 내부의 실리케이트 및 산화물 물질의 고압 상 안정성 이해하기 위해.
• 거대 외계행성의 깊은 맨틀에서 고산화 상태 화합물인 MgSi3O12의 형성 탐색하기 위해.
• 다양한 온도 조건에서 pPv-MgSiO3의 해리 경로 분석하기 위해.
• 거대 외계행성의 내부 구조 모델 향상에 기여할 수 있는 재료 데이터 제공하기 위해.

제안 방법

• Mg-Si-O 조성 공간 전반에서 안정한 상을 탐색하기 위해 양자 변수 조성 진화 구조 탐색(XC-ES)을 적용하였다.
• 고압 조건에서의 생성 에너지 및 열역학적 안정성 평가를 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 압력이 3 TPa에 이르는 Mg-Si-O 계의 이중 및 삼중 화합물에 대해 체계적으로 탐색하였다.
• 다양한 조성에서 생성 에너지와 격자 진동 안정성 비교를 통해 안정한 상을 식별하였다.
• 저온 및 고온 조건에서 MgSiO3의 상 전이 및 해리 경로를 추적하였다.
• 극한 조건에서 에너지 분해 및 열역학 분석을 통해 안정성 검증을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초지구 내부와 유사한 1 TPa 이상의 압력에서 Mg-Si-O 계에 새로운 안정한 화합물이 형성되는가?
• RQ2 SiO3, SiO, MgO3와 같은 고산화 상태 상이 열역학적으로 안정해지는 압력는 어느 정도인가?
• RQ3 2.4 TPa 이상의 압력 조건에서 거대 외계행성의 깊은 맨틀에서 MgSi3O12 및 MgSiO6와 같은 화합물이 형성될 수 있는가?
• RQ4 저온과 고온 조건에서 pPv-MgSiO3의 해리 경로는 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ5 이러한 새로운 상들이 거대 지구의 내부 구조 및 광물학에 어떤 영향을 미칠 수 있는가?

주요 결과

• SiO3는 0.51 TPa 이상에서 안정해지며, 새로운 고압 실리카 산화물 상을 나타낸다.
• SiO는 1.89 TPa 이상에서 안정한 것으로 예측되어, 실리카 산화물에서 새로운 스토이히오메트리가 가능함을 시사한다.
• MgO3는 0.89 TPa 이상에서 안정한 화합물로 형성되며, 마그네슘 산화물의 알려진 스토이히오메트리가 확장됨을 의미한다.
• 고산화 상태의 마그네슘 실리케이트인 MgSi3O12는 2.41 TPa 이상에서 안정하며, 초지구 맨틀에서의 형성 가능성을 시사한다.
• MgSiO6는 2.95 TPa 이상에서 안정하며, 극한 압력에서 복잡한 고산화 상태 실리케이트 존재 가능성을 시사한다.
• pPv-MgSiO3의 해리는 저온과 고온 조건에서 서로 다른 경로를 따르며, 각각 다른 중간 상이 생성된다.