研究快讯 | 氢的各向异性扩散驱动的氢氦分离

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文章亮点

发现在动力学上，氢氦相分离由氢的各向异性扩散驱动，结合基于机器学习势函数的21.6万原子的大尺度模拟，提出在行星内部区别于传统“氦雨沉降”的“氢泡上升”和“氢流上浮”的新分离模式。

21.6万原子构型，展示了“氢泡上升”、“氦雨沉降”和“氢流上浮”三种相分离模式（蓝色为氢原子，红色为He原子）。

氢的各向异性扩散驱动的氢氦分离

研究背景

氢和氦是构成木星和土星等气态巨行星的主要成分，它们的混合与分离过程，对于理解其内部结构、大气成分、热演化乃至磁场产生机制至关重要。尽管“氦雨”模型——即氦从氢中析出并向行星内部沉降——被广泛用于解释行星大气中观测到的氦丰度降低，但驱动这一分层过程的微观动力学机制，特别是相分离过程与离子扩散之间的关系仍不清楚。

内容简介

最近，国防科技大学戴佳钰团队基于大规模机器学习加速的分子动力学模拟，研究了温度、压力、氦丰度、扩散系数及各向异性与相分离程度的关系。研究发现在相分离过程中，氢主动进行定向迁移，而氦则是被动响应。据此提出了“氢泡上升”和“氢流上浮”的新相分离图像。此外，该工作展示了“氦致氢的键合效应增强”、“氢氦拖曳效应”和互扩散系数在强相分离区域显著的“平台效应”，并指出之前理想混合规则等近似计算互扩散系数的方法在描述非理想体系时的局限性。

研究意义和重要性

该工作从原子尺度揭示了气态巨行星内部氢氦相分离的关键动力学机制，挑战并拓展了对行星内部物质输运与相分离过程的传统认知，为构建更精确的行星演化模型提供了新的参考。