近日，厦门大学物理学系本科生翟家辉以第一作者身份在国际地球物理学顶刊发表研究论文，定量揭示了镍含量与化学涨落对地核极端条件下铁熔体结晶的影响，为理解地球内核的初始形成提供了新的物理依据。

地球内核结晶释放的潜热与轻元素为外核对流提供能量，是维持当前地磁场的重要动力源。然而，液态金属降至熔点以下并不会立即结晶，形成稳定晶核仍需克服形核能垒，通常要求液体进一步降温。已有理论提出，早期地核铁结晶所需的过冷度远超地球热演化与地球物理观测允许的范围，由此产生了“内核形核悖论”。孙阳教授课题组此前发现，体心立方结构比六方密排结构更容易形核，可以降低所需过冷度，但仍未完全满足地球物理约束。真实地核并非纯铁，镍及多种轻元素如何改变结晶动力学，因而成为理解内核起源的重要问题。

本研究将前期发展的永胚法形核模拟拓展至铁镍二元体系，在约300万个大气压、5500开尔文的极端环境下研究相变热力学及过冷熔体的结晶过程。永胚法通过对微小晶胚施加自适应约束，帮助体系进入直接分子动力学难以采样的形核区域，并在到达临界区域前解除约束，从而测定临界晶核。研究发现，临界晶核可以具有不同的尺寸和镍含量，但在相同液体环境中，形核能垒几乎不随晶核自身成分变化，而主要由周围液体的成分决定。这说明，判断熔体是否容易结晶，不能只关注晶核本身，还需考虑其化学环境。同时，体心立方相始终表现出更小的临界晶核和更低的形核能垒；提高熔体中的镍含量，则进一步加快形核并缩短等待时间。

图1. 地核三百万大气压下铁镍合金的形核能垒、形核速率及局部成分涨落效应。

化学涨落的影响尤为显著。即使液体整体成分均匀，原子扩散也会产生短暂的局部富镍区域。由于形核速率对成分高度敏感，这些区域的贡献不能用平均成分简单代表。团队通过包含200万原子的模拟统计局部成分分布，发现计入化学涨落后，宏观形核速率可提高数个量级。在高镍熔体模型中，体心立方相形核所需的过冷度降至约250开尔文，显著缩小了理论预测与地球物理约束之间的差距。不过，所需镍含量仍高于地核平均含量估计，尚需进一步考虑镍与其他元素及更大尺度化学非均匀性的协同作用。

图2. 不同铁镍成分和晶体结构下的形核等待时间与所需过冷度。

这些结果也将原子尺度结晶与外核动力学联系起来。内核形成之前，液态地核已存在长期对流；对流与成分分层可能输运和重组化学非均匀性，为形核提供有利的局部环境。本研究为探索“内核形核悖论”提供了可定量检验的物理机制，也为研究极端条件下多组分熔体的结晶动力学奠定了方法基础。

相关成果以“Quantifying the Effects of Nickel on Earth’s Inner-Core Nucleation”为题发表于《Geophysical Research Letters》（DOI: 10.1029/2026GL124720）。我院本科生翟家辉为论文第一作者,研究生魏良睿为共同第一作者，孙阳教授为通讯作者，厦门大学物理学系为第一单位。本研究得到国家自然科学基金项目资助，嘉庚创新实验室智能计算中心提供了算力支持。