图 含水斯石英超胞的势能面、晶体结构和吉布斯生成能。（A）20 GPa下2.7重量%含水斯石英的势能面；（B）30 GPa下不同含水机制含水斯石英的吉布斯生成能随温度变化。黄色区域代表晶格间隙模型结构接近超离子态相变的温度区间，而此时离子替换模型结构中的氢原子仍然以羟基键合；（C）离子替换模型5.6重量%含水斯石英的晶体结构；（D-F）结构搜索得到的2.7重量%含水斯石英的晶体结构

　　在国家自然科学基金项目（批准号：42150101、42250105）等资助下，北京高压科学研究中心胡清扬研究员和中山大学朱升财副教授团队合作在斯石英的一维含水通道超结构探索方面取得进展，研究成果以“地幔深部的含水二氧化硅超结构和一维超离子通道（Silica-water superstructure and one-dimensional superionic conduit in Earth’s mantle）”为题，于2023年9月在线发表在《科学进展》（Science Advances）杂志，原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh3784。

　　二氧化硅是俯冲洋壳玄武岩的主要成分之一，斯石英可能是将水向下地幔输运的重要矿物。前期研究表明，斯石英在地球深部的储水能力很强，但是其储水机制仍然存在诸多争议。有研究认为，氢原子主要通过替换斯石英晶格中的硅原子形成点缺陷；也有研究表明，含水斯石英中的水是以分子水的形式存在于斯石英的晶格间隙中。然而，由于名义无水矿物中含氢缺陷结构的复杂性及当前高温高压实验和理论计算手段的局限性，在传统实验和计算框架下深入研究斯石英的储水机制仍极具挑战。

　　研究团队首先利用机器学习算法提高了含水结构的搜索效率。搜索结果发现，在地幔的温度和压力条件下，氢更倾向于占据斯石英的晶格间隙位置，形成一种新型的、具有一维含氢通道的超结构。该超结构经第一性原理计算检验，证明了这种水分子在超结构中具有较低的结合自由能，且结构能保持动力学稳定（图）。

　　为了验证该超结构的真实性，通过实验室模拟接近下地幔顶部的温度和压力条件，研究团队合成了毫米级的含水斯石英单晶样品。利用二次离子质谱、拉曼光谱、红外光谱对样品的含水特性进行表征发现，样品的¹H-NMR谱显示相邻氢核之间存在强偶极—偶极相互作用，与理论计算预测的结构模型高度吻合，从而证实了含水斯石英一维水通道超结构的存在。

　　利用第一性原理分子动力学研究含水斯石英在高温高压下的动力学行为发现，当温度达到1000 K时，氢原子开始摆脱O-H键的束缚，并在一维含水通道内自由扩散，表现出类似流体的特征和极强的电导率各向异性。与超离子态冰和黄铁矿结构的FeOOH相比，一维超离子态的含水斯石英具有更低的超离子态转变温度和扩散能垒。相比于地幔岩组分，俯冲洋壳中富集更多的二氧化硅，因此可以推测俯冲洋壳可能比地幔岩具有更高的电导率。

　　该研究为揭示二氧化硅在地幔深部的储水机制提供了精细的晶体结构。斯石英的一维含水通道超结构刷新了人们对名义无水矿物中含氢缺陷结构的认知，丰富了地球深部水储库的存在形式，有助于解释含水斯石英的超高热稳定性和斯石英—后斯石英相变压力提前之谜。含水斯石英的一维超离子态相变为解释地幔高导异常和电导率各向异性结构提供了新的线索，也为人们重新认识名义无水矿物中在高温高压下的物理化学性质提供了重要参考。