硅酸镁液相（MgSiO₃liquid）是地球岩浆海洋的重要组成部分，其微观结构与动力学性质对深部地球的物质流动和物相演化具有决定性影响。深入理解该液相的结构特征，是阐释深地幔条件下硅酸镁熔体致密化机制和黏度异常行为的关键。然而，尽管已有诸多研究涉及硅酸镁液相，其原子尺度结构特征、致密化机制及与动力学性质之间的内在联系仍缺乏系统认知，黏度异常的结构起源也存在很大争议。

针对上述科学问题，西北工业大学材料学院牛海洋教授团队采用深度学习分子动力学，对硅酸镁液相的结构特征和动力学行为进行了深入研究，研究成果以“Structural Heterogeneity of MgSiO₃Liquid and Its Connection with Dynamical Properties”为题，发表在国际顶级期刊《Physical Review Letters》（《物理评论快报》）上。材料学院硕士研究生张仕威为论文第一作者，博士研究生胡俊伟、硕士研究生孙学成为共同作者，西北工业大学牛海洋教授和普林斯顿大学邓杰教授为论文通讯作者。

硅酸镁液相中的结构异质性

硅酸镁液相结构异质性在不同温度和压力条件下的空间分布特征

该团队采用深度学习分子动力学模拟，首次发现硅酸镁液相中存在显著的结构异质性特征，表现为富镁与富硅区域空间分布的相互排斥性。研究采用高斯密度场方法对结构异质性区域进行识别与量化，进一步揭示了结构异质性区域在空间分布上的非均匀特征及其在高压条件下的演化规律。发现，随着压力由低到高，结构异质性区域的尺度与分布趋势均呈现非单调变化：区域尺度先减小而后增大，分布先变松散而后紧实，其中拐点均出现在约8GPa。该现象与前人报道的硅酸镁液相黏度异常行为相似——黏度在5-8GPa范围内出现极小值。

研究发现，在8GPa时，结构异质性区域典型尺寸仅为数埃；而在高达140GPa的极端压力下，大多数富集区域扩展至约1 nm，部分甚至达到数纳米，呈现更为致密的原子结构。此空间演化趋势与富集区域中氧配位结构（如O^si_tri和O^Mg_tetra）比例显著上升相对应。已有研究指出，O^si_tri结构的增多是致密化机制的关键，本研究进一步发现O^Mg_tetra结构亦发挥重要作用。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底层解释。

硅酸镁液相的黏度异常及其与结构异质性的关联关系

研究基于Green-Kubo关系计算了体系的黏度，确证了随压力升高黏度呈现“先降后升”的异常趋势。进一步地，借助Maxwell关系（τ=η/G_∞），将由黏度估算得到的Maxwell弛豫时间与结构异质性区域的寿命进行了对比分析。结果显示，两者之间存在显著相关性，尤其是在Mg富集区域，寿命与Maxwell弛豫时间高度吻合，表明结构异质性与黏度异常现象之间具有必然的联系。为进一步验证结构异质性在黏度异常行为中的因果机制，本研究设计了“去异质性”偏置势模拟策略，通过施加偏置势有效打散液相中的局部富集结构。施加该策略后黏度异常现象完全消失，彻底证明了结构异质性正是硅酸镁液相黏度异常行为的结构起源。

这一研究成果深化了对极端条件下硅酸盐熔体结构–动力学关系的认识，拓展了人们对地球深部动力学机制的微观理解。该研究工作得到国家自然科学基金重大研究计划项目、国家优秀青年科学基金（海外）项目、凝固技术全国重点实验室自主课题以及中央高校基本科研业务费专项资金的支持。

（文字：牛海洋；图片：牛海洋；审核：禹亮）