《生活大爆炸》里身为物理学家的Sheldon总说“Geology is not real science！”（地质不是科学！）。但事实上，物理和地质可以说是密不可分，早已相互渗透，就拿钙钛矿来说，它同时是现在凝聚态物理以及地球科学的热门研究。镁—钙钛矿是地球上含量最多的矿物，而钙钛矿型晶体也是如今开发光伏电池的新型材料。
广义上的钙钛矿是指一类陶瓷氧化物，其分子通式为ABO3；此类氧化物最早被发现，是存在于钙钛矿石中的钛酸钙(CaTiO3)化合物，因此而得名。由于此类化合物结构上有许多特性，在凝聚态物理方面应用及研究甚广，所以物理学家与化学家常以其分子公式中各化合物的比例(1:1:3)来简称之，因此又名“113结构”。而地球科学中的钙钛矿则专指含镁（钙）的钙钛矿型矿物。
太阳能电池的新材料
钙钛矿如今是光伏电池的新宠，凝聚态物理里的钙钛矿指的是ABX3晶型，既不含钙，也不含钛，更不是一种矿石。A一般是有机分子团，如甲氨基，B一般是金属离子，如铅，X一般是卤素离子，如碘离子，氯离子。
整个晶体的骨架是由铅离子被六个碘离子包围所形成的类似正方体的骨架，骨架中间插入有甲氨基等有机离子。
就是这样一种材料，被Science评为了2013年全球十大科学突破。因为这个材料的制备简直太简单了，把两种盐混在一起，搅一搅，旋涂一下再烤干就制成了。还记得2014年Henry Snaith做过一个估算，硅晶太阳能电池的成本大约是每度电0.7美元，钙钛矿太阳能电池的成本约为每度电0.35美元。成本低，效率高，又轻又薄，这不正是大家梦寐以求的太阳能材料吗？所以一时间吸引了大量的科学工作者跳进了这个坑。国际顶级的材料学会议MRS也宣布专门为perovskite solar cell增设一个研讨会。2014年MRS的冬季会议，据说当时好几个研讨会同时在开，perovskite solar cell里面座无虚席，还有好多人站着，去其他的几个研讨会都坐了不到一半的人，perovskite的火爆程度可见一斑。
关于钙钛矿的应用前景，一些人认为是它是能源危机的救星，有些人却持悲观态度。不过客观地说，经过许多科研工作者的努力，钙钛矿的研究已经取得了长足的进步，但距离商品化还有一段路要走。目前钙钛矿光伏电池还存在一些问题，例如其不太稳定，即使到今天，放在空气里一个星期就会有很强的衰减；另一点就是它的量产还需要技术支持。
地球深处的钙钛矿
地球科学领域的钙钛矿是一种名副其实的矿物。1893年，钙钛矿（Perovskite）是以俄国矿物学家Lev Perovski的名字命名，它具有CaTiO3分子式，这种新晶体在乌拉尔山脉南部首次被发现。钙钛矿，对于研究地球科学的研究者来说，通常指的是MgSiO3以及CasiO3（镁—钙钛矿、钙—钙钛矿），他们被认为是组成下地幔的最主要物质，也是地球上最多的矿物（虽然地表上不可见）。完整的钙钛矿晶体也在陨石坑发现，陨石冲击地表时产生的超高压力促使地表矿物相变成钙钛矿。为了与凝聚态物理上的钙钛矿有所区别，同时纪念高压物理学家Percy Bridgman，地球深部的钙钛矿如今有了新的名字，叫做布立基曼石（bridgmanite）。
钙钛矿结构（ABX3）的矿物A和X是紧密堆积的面心立方结构，A离子分布在BX6八面体的空隙，许多地球深部矿物都以这样的结构聚集，毕竟越紧密的结构越能承受高压。于是乎，地球中那些最丰富的元素就在高压下形成了钙钛矿（或者叫布立基曼石）。镁—钙钛矿只有在23Gpa以上（大约在地下660km深的压力）的压力下才会形成，而上世纪70年代，它首次在实验室里被成功合成。镁—钙钛矿是下地幔的主要矿物（深度660km—2900km），它也被科学家认为是其他比地球还要大的类地行星的主要矿物。钙钛矿的形成影响着深部动力学活动，因为相变过程伴随着密度和粘度的大幅变化。
深部都有些什么？
地震波就像是医院里的X光机，帮助着地质学家探索地球深部的奥秘。地震波在不同物质里的速度不同，所以我们可以根据地震波穿透地球的速度变化，来对地球分层：410km以上是上地幔，410km到660km是转换带，660km到2900km是下地幔，再往下就是地核了。
镁—钙钛矿大约从地下660km开始出现，在660km以上是富含大量林伍德石以及少量镁铝榴石的转换带，当压力增高到下地幔条件，这些矿物会发生相变，转变成钙钛矿。所谓相变，就是并不改变其元素的组成，仅仅是改变了晶体结构，使其在高压下更加稳定。所以镁—钙钛矿是下地幔最主要的矿物，大约占据了80%的体积，剩下的20%是铁方镁石以及钙—钙钛矿。
地震不连续面通常与矿物的相变有关。除了410、660、2900km 的明显地震波波速变化，在下地幔最底部有些地方还存在一层低波速区，我们叫它D''层（120Gpa，大约2600km），而根据实验数据，科学家们也发现钙钛矿在更高的压力还会发生一次相变，形成后钙钛矿（post-perovskite），地震波速也与D''层的地球物理数据大致吻合，所以D''层的形成通常被认为与后钙钛矿相变有关。
我们知道下地幔与地核的分界线是2900km，2900km一下是铁核，钙钛矿的相变也就在2900km（~150Gpa）结束了。但压力进一步升高，就还有可能存在新的相变。我们试想一下，在比地球更大的固态行星中，会存在更厚的地幔，其压力、温度也就更高，在它们内部是否有可能存在后钙钛矿向后后钙钛矿（post-post-pervoskite）的相变呢？
钙钛矿里的水？
我们所熟知的水（H2O）在常温常压下为无色无味的透明液体，被称为人类生命的源泉。而钙钛矿的化学式是MgSiO3，不含氢元素，换句话来说不可能将其作为原料以生产水，这种化学式不含氢元素的矿物叫做名义上的无水矿物（Nominally Ahydrous Minerals）。虽然钙钛矿化学式中不含氢，但在一定的条件下氢原子可以连接在氧原子上，形成结构羟基（-OH），这就是我们所说的结构水。只是如今关于钙钛矿储水能力的大小还颇有争议，最多可能含水0.8%(质量百分数)，由于钙钛矿在地球深部的储量巨大，它存储的“水量”可能相当于地表海洋总水量的7倍。而且后钙钛矿的储水能力要比钙钛矿更高，这也许能间接解释地表水的来源问题。
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主要参考资料
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
