《生活大爆炸》里身為物理學家的Sheldon總說“Geology is not real science络断！”（地質(zhì)不是科學Ｒ）婉宰。但事實上势似，物理和地質(zhì)可以說是密不可分拌夏，早已相互滲透，就拿鈣鈦礦來說履因，它同時是現(xiàn)在凝聚態(tài)物理以及地球科學的熱門研究障簿。鎂—鈣鈦礦是地球上含量最多的礦物，而鈣鈦礦型晶體也是如今開發(fā)光伏電池的新型材料栅迄。

credit：《TBBT》

廣義上的鈣鈦礦是指一類陶瓷氧化物站故，其分子通式為ABO3；此類氧化物最早被發(fā)現(xiàn)毅舆，是存在于鈣鈦礦石中的鈦酸鈣(CaTiO3)化合物西篓，因此而得名。由于此類化合物結(jié)構(gòu)上有許多特性朗兵，在凝聚態(tài)物理方面應用及研究甚廣污淋，所以物理學家與化學家常以其分子公式中各化合物的比例(1:1:3)來簡稱之，因此又名“113結(jié)構(gòu)”余掖。而地球科學中的鈣鈦礦則專指含鎂（鈣）的鈣鈦礦型礦物寸爆。

黑色的是鈣鈦礦（常壓），已經(jīng)腿變質(zhì)（Credit：獵狗先生 知乎）

太陽能電池的新材料

鈣鈦礦如今是光伏電池的新寵盐欺，凝聚態(tài)物理里的鈣鈦礦指的是ABX3晶型赁豆，既不含鈣，也不含鈦冗美，更不是一種礦石魔种。A一般是有機分子團，如甲氨基粉洼，B一般是金屬離子节预，如鉛叶摄，X一般是鹵素離子，如碘離子安拟，氯離子蛤吓。

整個晶體的骨架是由鉛離子被六個碘離子包圍所形成的類似正方體的骨架，骨架中間插入有甲氨基等有機離子糠赦。

8個八面體形成的骨架 Credit：John 熊知乎

就是這樣一種材料会傲，被Science評為了2013年全球十大科學突破。因為這個材料的制備簡直太簡單了拙泽，把兩種鹽混在一起淌山，攪一攪，旋涂一下再烤干就制成了顾瞻。還記得2014年Henry Snaith做過一個估算泼疑，硅晶太陽能電池的成本大約是每度電0.7美元，鈣鈦礦太陽能電池的成本約為每度電0.35美元朋其。成本低王浴，效率高，又輕又薄梅猿，這不正是大家夢寐以求的太陽能材料嗎？所以一時間吸引了大量的科學工作者跳進了這個坑秒裕。國際頂級的材料學會議MRS也宣布專門為perovskite solar cell增設一個研討會袱蚓。2014年MRS的冬季會議，據(jù)說當時好幾個研討會同時在開几蜻，perovskite solar cell里面座無虛席喇潘，還有好多人站著，去其他的幾個研討會都坐了不到一半的人梭稚，perovskite的火爆程度可見一斑颖低。

太陽能電池現(xiàn)已經(jīng)廣泛民用credit：tupian.hudong.com

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關于鈣鈦礦的應用前景，一些人認為是它是能源危機的救星弧烤，有些人卻持悲觀態(tài)度忱屑。不過客觀地說，經(jīng)過許多科研工作者的努力暇昂，鈣鈦礦的研究已經(jīng)取得了長足的進步莺戒，但距離商品化還有一段路要走。目前鈣鈦礦光伏電池還存在一些問題急波，例如其不太穩(wěn)定从铲，即使到今天，放在空氣里一個星期就會有很強的衰減澄暮；另一點就是它的量產(chǎn)還需要技術支持名段。

地球深處的鈣鈦礦

地球科學領域的鈣鈦礦是一種名副其實的礦物阱扬。1893年，鈣鈦礦（Perovskite）是以俄國礦物學家Lev Perovski的名字命名伸辟，它具有CaTiO3分子式麻惶，這種新晶體在烏拉爾山脈南部首次被發(fā)現(xiàn)。鈣鈦礦自娩，對于研究地球科學的研究者來說用踩，通常指的是MgSiO3以及CasiO3（鎂—鈣鈦礦、鈣—鈣鈦礦）忙迁，他們被認為是組成下地幔的最主要物質(zhì)脐彩，也是地球上最多的礦物（雖然地表上不可見）。完整的鈣鈦礦晶體也在隕石坑發(fā)現(xiàn)姊扔，隕石沖擊地表時產(chǎn)生的超高壓力促使地表礦物相變成鈣鈦礦惠奸。為了與凝聚態(tài)物理上的鈣鈦礦有所區(qū)別，同時紀念高壓物理學家Percy Bridgman恰梢，地球深部的鈣鈦礦如今有了新的名字佛南，叫做布立基曼石（bridgmanite）。

鈣鈦礦（左）以及后鈣鈦礦（右）結(jié)構(gòu)圖嵌言，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)似乎有種魔力嗅回，許多深部礦物都是這種結(jié)構(gòu)。 credit：Hirose K

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（ABX3）的礦物A和X是緊密堆積的面心立方結(jié)構(gòu)摧茴，A離子分布在BX6八面體的空隙绵载，許多地球深部礦物都以這樣的結(jié)構(gòu)聚集，畢竟越緊密的結(jié)構(gòu)越能承受高壓苛白。于是乎娃豹，地球中那些最豐富的元素就在高壓下形成了鈣鈦礦（或者叫布立基曼石）。鎂—鈣鈦礦只有在23Gpa以上（大約在地下660km深的壓力）的壓力下才會形成购裙，而上世紀70年代懂版，它首次在實驗室里被成功合成。鎂—鈣鈦礦是下地幔的主要礦物（深度660km—2900km）躏率，它也被科學家認為是其他比地球還要大的類地行星的主要礦物躯畴。鈣鈦礦的形成影響著深部動力學活動，因為相變過程伴隨著密度和粘度的大幅變化禾锤。

礦物組成隨深度的變化（Mj鎂鋁榴石私股、Ol橄欖石、Wd瓦茲利石恩掷、Ca-perovskite鈣-鈣鈦礦倡鲸、Mg-Peroskite鎂-鈣鈦礦、post-perovskite后鈣鈦礦）credit：Hirose K

深部都有些什么黄娘？

地震波就像是醫(yī)院里的X光機峭状，幫助著地質(zhì)學家探索地球深部的奧秘克滴。地震波在不同物質(zhì)里的速度不同，所以我們可以根據(jù)地震波穿透地球的速度變化优床，來對地球分層：410km以上是上地幔劝赔，410km到660km是轉(zhuǎn)換帶，660km到2900km是下地幔胆敞，再往下就是地核了着帽。

地震波歲深度變化圖，2900km的明顯變化將地球分為地幔和地核（Bass and parise,2008）

鎂—鈣鈦礦大約從地下660km開始出現(xiàn)移层，在660km以上是富含大量林伍德石以及少量鎂鋁榴石的轉(zhuǎn)換帶仍翰，當壓力增高到下地幔條件，這些礦物會發(fā)生相變观话，轉(zhuǎn)變成鈣鈦礦予借。所謂相變，就是并不改變其元素的組成频蛔，僅僅是改變了晶體結(jié)構(gòu)灵迫，使其在高壓下更加穩(wěn)定。所以鎂—鈣鈦礦是下地幔最主要的礦物晦溪，大約占據(jù)了80%的體積瀑粥，剩下的20%是鐵方鎂石以及鈣—鈣鈦礦。

從左至右：地殼三圆、地幔利凑、外核、內(nèi)核credit：sohu

地震不連續(xù)面通常與礦物的相變有關嫌术。除了410、660牌借、2900km 的明顯地震波波速變化，在下地幔最底部有些地方還存在一層低波速區(qū)，我們叫它D''層（120Gpa玄糟，大約2600km）堰氓，而根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，科學家們也發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦在更高的壓力還會發(fā)生一次相變现柠，形成后鈣鈦礦（post-perovskite）院领，地震波速也與D''層的地球物理數(shù)據(jù)大致吻合，所以D''層的形成通常被認為與后鈣鈦礦相變有關够吩。

我們知道下地幔與地核的分界線是2900km比然，2900km一下是鐵核，鈣鈦礦的相變也就在2900km（~150Gpa）結(jié)束了周循。但壓力進一步升高强法，就還有可能存在新的相變万俗。我們試想一下，在比地球更大的固態(tài)行星中饮怯，會存在更厚的地幔闰歪，其壓力、溫度也就更高蓖墅，在它們內(nèi)部是否有可能存在后鈣鈦礦向后后鈣鈦礦（post-post-pervoskite）的相變呢库倘？

鎂鈣鈦礦的諸多性質(zhì)（其中第七項的含水量仍具有爭議）credit：Hirose K

鈣鈦礦里的水？

我們所熟知的水（H2O）在常溫常壓下為無色無味的透明液體论矾，被稱為人類生命的源泉教翩。而鈣鈦礦的化學式是MgSiO3，不含氫元素拇囊，換句話來說不可能將其作為原料以生產(chǎn)水迂曲，這種化學式不含氫元素的礦物叫做名義上的無水礦物（Nominally Ahydrous Minerals）。雖然鈣鈦礦化學式中不含氫寥袭，但在一定的條件下氫原子可以連接在氧原子上路捧，形成結(jié)構(gòu)羥基（-OH），這就是我們所說的結(jié)構(gòu)水传黄。只是如今關于鈣鈦礦儲水能力的大小還頗有爭議杰扫，最多可能含水0.8%(質(zhì)量百分數(shù))，由于鈣鈦礦在地球深部的儲量巨大膘掰，它存儲的“水量”可能相當于地表海洋總水量的7倍章姓。而且后鈣鈦礦的儲水能力要比鈣鈦礦更高，這也許能間接解釋地表水的來源問題识埋。

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主要參考資料

Hirose K, Sinmyo R, Hernlund J. Perovskite in Earth’s deep interior[J]. Science, 2017, 358(6364): 734-738.

Patel P, Mitzi D. Perovskites in the spotlight[J]. MRS Bulletin, 2014, 39(9): 768.

https://www.zhihu.com/question/23047709

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