„Проблемът с Доломита“ – Учените решават 200-годишна геоложка мистерия

За да създадете планини от доломит, често срещан минерал, той трябва периодично да се топи. Тази на пръв поглед противоречива концепция може да помогне новите продукти да бъдат безупречни полупроводници И още.

В продължение на два века учените не са успели да произведат обикновен минерал в лабораторията при условия, за които се смята, че са се образували естествено. Сега екип от изследователи от Мичиганския университет и Университет Хокайдо В Сапоро, Япония най-накрая постигна точно това, благодарение на нова теория, разработена чрез атомни симулации.

Техният успех разрешава дългогодишна геоложка мистерия, наречена „Доломитният проблем“. Доломитът – основен минерал, открит в Доломитовите планини в Италия, Ниагарския водопад и Худу в Юта – е изобилен в скалите По-стари от 100 милиона годиниПри младите образувания обаче почти липсва.

Wenhao Sun, асистент професор по материалознание и инженерство на Dow в Университета на Мичиган, и Junsu Kim, докторант по материалознание и инженерство в изследователската група на професор Sun, показват доломитови скали от колекцията на тяхната лаборатория. Двамата учени са разработили теория, която най-накрая би могла да обясни една двувековна мистерия за изобилието от доломит на Земята. Кредит: Марчин Шчибански, старши мултимедиен разказвач, Мичиган Инженеринг.

Значението на разбирането на растежа на доломита

„Ако разберем как доломитът расте в природата, може да научим нови стратегии за подобряване на кристалния растеж на съвременните технологични материали“, каза наскоро Венхао Сун, професор по материалознание и инженерство в университета Дау и съответен автор на статията. Публикувано в науки.

Тайната на най-накрая отглеждането на доломит в лабораторията беше премахването на дефекти в минералната структура, докато растеше. Когато минералите се образуват във вода, атомите обикновено се отлагат спретнато по ръба на нарастващата кристална повърхност. Въпреки това, ръбът на растеж на доломита се състои от редуващи се редове калций и магнезий. Във водата калцият и магнезият се прикрепят произволно към нарастващия доломитов кристал, често се установяват на грешното място и създават дефекти, които предотвратяват образуването на допълнителни слоеве доломит. Това смущение забавя растежа на доломита до пълзене, което означава, че ще са необходими 10 милиона години, за да се направи само един слой подреден доломит.

Доломит кристална структура на ръба. Редове от магнезий (оранжеви топки) се редуват с редове от калций (сини топки), осеяни с карбонати (черни структури). Розовите стрелки показват посоките на растеж на кристалите. Калцият и магнезият често се свързват неправилно с ръба на растежа, спирайки растежа на доломита. Източник на изображението: Джунсу Ким, докторант по материалознание и инженерство, Университет на Мичиган.

За щастие, тези дефекти не са фиксирани на място. Тъй като неподредените атоми са по-малко стабилни от атомите в правилната позиция, те са първите, които се разтварят, когато металът се измие с вода. Многократното отмиване на тези разломи – например с дъжд или цикли на приливи и отливи – позволява на доломитния слой да се образува само за няколко години. През геоложкото време доломитните планини могат да се натрупат.

Разширени техники за симулация

За да симулират точно растежа на доломита, изследователите трябваше да изчислят колко силно или слабо атомите са прикрепени към повърхността на съществуващия доломит. По-точните симулации изискват енергията на всяко взаимодействие между електрони и атоми в растящия кристал. Такива изчерпателни изчисления обикновено изискват огромни количества изчислителна мощност, но софтуерът, разработен в Центъра за предсказуеми структурни материали (PRISMS) на университета в Мериленд, предостави пряк път.

„Нашият софтуер изчислява енергията на някои атомни подредби и след това ги екстраполира, за да предскаже енергиите на други подредби въз основа на симетрията на кристалната структура“, каза Брайън Бучала, един от водещите разработчици на програмата и асоцииран научен сътрудник в университета от департамент Мериленд. Материалознание и инженерство.

Този пряк път направи възможно симулирането на растежа на доломита в геоложки времеви мащаби.

Доломитът е толкова често срещан минерал в древните скали, че образува планини като едноименната планинска верига в Северна Италия. Но доломитът е рядък в по-младите скали и не може да бъде направен в лаборатория при условията, при които се е образувал естествено. Нова теория помогна на учените да отгледат минерала в лабораторията при нормална температура и налягане за първи път и може да помогне да се обясни недостигът на доломит в по-младите скали. Източник на изображението: Francesca.z73 чрез Wikimedia Commons.

„Всяка атомна стъпка обикновено отнема повече от 5000 CPU часа на суперкомпютър. Сега можем да направим същото изчисление за 2 милисекунди на настолен компютър“, каза Джунсу Ким, докторант по материалознание и инженерство и първи автор на изследването.

Практическо приложение и теоретичен тест

Малкото райони, където днес се образува доломит, периодично се наводняват и по-късно пресъхват, което се съгласува добре с теорията на Сун и Ким. Но такива доказателства сами по себе си не бяха достатъчни, за да бъдат напълно убедителни. Влезте Юки Кимура, професор по материалознание от университета Хокайдо, и Томоя Ямазаки, постдокторантски изследовател в лабораторията на Кимура. Те тестваха новата теория с помощта на трансмисионни електронни микроскопи.

„Електронните микроскопи обикновено използват само електронни лъчи за изобразяване на проби“, каза Кимура. „Въпреки това, лъчът може също да разцепи водата, правейки… кисело Което може да доведе до разтваряне на кристалите. Това обикновено е лошо нещо за фотографията, но в този случай разлагането е точно това, което искахме.

След като поставиха малък кристал от доломит в разтвор на калций и магнезий, Кимура и Ямазаки пулсираха внимателно електронния лъч 4000 пъти в продължение на два часа, премахвайки дефектите. След импулсите доломитът нараства с около 100 нанометра, около 250 000 пъти по-малък от инч. Въпреки че това са само 300 слоя доломит, не повече от пет слоя доломит са били отглеждани в лаборатория преди.

Поуките, извлечени от проблема с доломита, могат да помогнат на инженерите да произвеждат по-висококачествени материали за полупроводници, слънчеви панели, батерии и други технологии.

„В миналото производителите на кристали, които искаха да направят безупречни материали, се опитваха да ги отглеждат много бавно“, каза Сън. „Нашата теория показва, че можете бързо да отглеждате материали без дефекти, ако разтваряте дефектите периодично по време на растежа.“

Справка: „Топенето позволява растеж на доломитови кристали при условия, близки до околната среда“ от Джунсу Ким, Юки Кимура, Браян Бучала, Томоя Ямазаки, Удо Бекер и Уенхао Сун, 23 ноември 2023 г. науки.
doi: 10.1126/science.adi3690

Изследването е финансирано от грант за нови докторски изследователи от Американското химическо дружество PRF, Министерството на енергетиката на САЩ и Японското дружество за насърчаване на науката.