„Problem Dolomitów” – Naukowcy rozwiązują zagadkę geologiczną sprzed 200 lat

Profesor Wenhao Sun prezentuje dolomit ze swojej osobistej kolekcji skał. Firma Sun bada wzrost kryształów metali z punktu widzenia inżynierii materiałowej. Wierzy, że rozumiejąc, w jaki sposób atomy łączą się, tworząc naturalne minerały, możemy odkryć podstawowe mechanizmy wzrostu kryształów, które można wykorzystać do szybszego i wydajniejszego wytwarzania materiałów funkcjonalnych. Źródło: Marcin Szczybanski, starszy narrator multimedialny, Michigan Engineering.

Aby utworzyć góry dolomitu, pospolitego minerału, należy go okresowo stopić. Ta pozornie sprzeczna koncepcja może pomóc w tworzeniu nowych produktów bezbłędnych Półprzewodniki I więcej.

Przez dwa stulecia naukowcom nie udało się wyprodukować w laboratorium zwykłego minerału w warunkach uznawanych za naturalne. Teraz zespół naukowców z Uniwersytetu Michigan i Uniwersytet Hokkaido W Sapporo Japonii w końcu udało się to osiągnąć dzięki nowej teorii opracowanej w drodze symulacji atomowych.

Ich sukces rozwiązuje wieloletnią zagadkę geologiczną zwaną „problemem dolomitów”. Dolomit – główny minerał występujący w Dolomitach we Włoszech, wodospadzie Niagara i Hoodoo w Utah – jest bogaty w skały Starsze niż 100 milionów latJednak w młodych formacjach jest prawie nieobecny.

Wenhao Sun, adiunkt Dow w dziedzinie nauk o materiałach i inżynierii na Uniwersytecie Michigan oraz Junsu Kim, doktorant nauk o materiałach i inżynierii w grupie badawczej profesora Suna, pokazują skały dolomitowe z kolekcji swojego laboratorium. Obaj naukowcy opracowali teorię, która może wreszcie wyjaśnić dwustuletnią tajemnicę dotyczącą obfitości dolomitu na Ziemi. Źródło: Marcin Szczybanski, starszy narrator multimedialny, Michigan Engineering.

Znaczenie zrozumienia wzrostu dolomitu

„Jeśli zrozumiemy, jak dolomit rośnie w przyrodzie, możemy nauczyć się nowych strategii zwiększania wzrostu kryształów w nowoczesnych materiałach technologicznych” – powiedział niedawno Wenhao Sun, profesor nauk o materiałach i inżynierii na Uniwersytecie Dow i współautor artykułu. Opublikowane w Nauki.

Sekretem ostatecznej uprawy dolomitu w laboratorium było usuwanie defektów w strukturze minerału w miarę jego wzrostu. Kiedy minerały tworzą się w wodzie, atomy są zwykle osadzane starannie na krawędzi rosnącej powierzchni krystalicznej. Jednakże krawędź wzrostu dolomitu składa się z naprzemiennych rzędów wapnia i magnezu. W wodzie wapń i magnez przyłączają się losowo do rosnącego kryształu dolomitu, często osiadając w niewłaściwym miejscu i tworząc defekty uniemożliwiające tworzenie się dodatkowych warstw dolomitu. To zaburzenie spowalnia wzrost dolomitu do pełzania, co oznacza, że ​​wytworzenie tylko jednej warstwy uporządkowanego dolomitu zajęłoby 10 milionów lat.

Struktura krawędzi kryształu dolomitu. Rzędy magnezu (kulki pomarańczowe) przeplatają się z rzędami wapnia (kulki niebieskie), przeplatane węglanami (struktury czarne). Różowe strzałki pokazują kierunki wzrostu kryształów. Wapń i magnez często nieprawidłowo wiążą się z krawędzią wzrostu, zatrzymując wzrost dolomitu. Źródło obrazu: Junsu Kim, doktorant w dziedzinie nauki i inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Michigan.

Na szczęście tych usterek nie da się naprawić na miejscu. Ponieważ atomy nieuporządkowane są mniej stabilne niż atomy we właściwej pozycji, jako pierwsze rozpuszczają się, gdy metal przemywa się wodą. Wielokrotne zmywanie tych uskoków – na przykład podczas opadów lub cykli pływów – pozwala na utworzenie warstwy dolomitu w ciągu zaledwie kilku lat. W miarę upływu czasu geologicznego mogą gromadzić się góry dolomitowe.

Zaawansowane techniki symulacyjne

Aby dokładnie symulować wzrost dolomitu, badacze musieli obliczyć, jak mocno lub słabo atomy były przyczepione do powierzchni istniejącego dolomitu. Dokładniejsze symulacje wymagają energii każdej interakcji między elektronami i atomami w rosnącym krysztale. Takie wyczerpujące obliczenia zazwyczaj wymagają ogromnej ilości mocy obliczeniowej, ale oprogramowanie opracowane w Centrum Predykcyjnej Nauki o Materiałach Strukturalnych (PRISMS) Uniwersytetu Maryland zapewnia skrót.

„Nasze oprogramowanie oblicza energię niektórych układów atomowych, a następnie ekstrapoluje je, aby przewidzieć energie innych układów w oparciu o symetrię struktury kryształu” – powiedział Brian Buchala, jeden z głównych twórców programu i pracownik naukowy na uniwersytecie departamentu Maryland. Nauka o materiałach i inżynieria.

Skrót ten umożliwił symulację wzrostu dolomitu w geologicznych skalach czasowych.

Dolomit to minerał tak powszechny w starożytnych skałach, że tworzy góry, takie jak pasmo górskie o tej samej nazwie w północnych Włoszech. Jednak dolomit występuje rzadko w młodszych skałach i nie można go wytworzyć w laboratorium w warunkach, w jakich powstał naturalnie. Nowa teoria pomogła naukowcom po raz pierwszy wyhodować ten minerał w laboratorium w normalnej temperaturze i ciśnieniu i może pomóc wyjaśnić niedobór dolomitu w młodszych skałach. Źródło obrazu: Francesca.z73 za pośrednictwem Wikimedia Commons.

„Każdy krok atomowy zajmuje zwykle ponad 5000 godzin procesora na superkomputerze. Teraz możemy wykonać te same obliczenia na komputerze stacjonarnym w ciągu 2 milisekund” – powiedział Junsu Kim, doktorant w dziedzinie nauk o materiałach i inżynierii materiałowej oraz pierwszy autor badania.

Praktyczne zastosowanie i testowanie teorii

Nieliczne obszary, na których obecnie występują formy dolomitowe, są okresowo zalewane, a następnie wysychają, co dobrze zgadza się z teorią Suna i Kima. Jednak same takie dowody nie były wystarczające, aby być całkowicie przekonującym. Wchodzą Yuki Kimura, profesor nauk o materiałach na Uniwersytecie Hokkaido, i Tomoya Yamazaki, badaczka ze stopniem doktora w laboratorium Kimury. Przetestowali nową teorię za pomocą transmisyjnych mikroskopów elektronowych.

„Mikroskopy elektronowe zazwyczaj do obrazowania próbek wykorzystują wyłącznie wiązki elektronów” – powiedział Kimura. „Jednak wiązka może również rozdzielić wodę, powodując… kwaśny Co może spowodować rozpuszczenie kryształów. Zwykle jest to niekorzystne dla fotografii, ale w tym przypadku rozkład jest dokładnie taki, jak chcieliśmy.

Po umieszczeniu małego kryształu dolomitu w roztworze wapnia i magnezu Kimura i Yamazaki delikatnie pulsowali wiązką elektronów 4000 razy w ciągu dwóch godzin, usuwając defekty. Po impulsach zaobserwowano, że dolomit urósł o około 100 nanometrów, czyli około 250 000 razy mniej niż cal. Chociaż było to tylko 300 warstw dolomitu, nigdy wcześniej w laboratorium nie wyhodowano więcej niż pięć warstw dolomitu.

Wnioski wyciągnięte z problemu dolomitu mogą pomóc inżynierom w wytwarzaniu materiałów wyższej jakości do półprzewodników, paneli słonecznych, baterii i innych technologii.

„W przeszłości hodowcy kryształów, którzy chcieli wytwarzać nieskazitelne materiały, próbowali je hodować bardzo powoli” – powiedział Sun. „Nasza teoria pokazuje, że można szybko wyhodować materiały wolne od defektów, jeśli okresowo rozpuszcza się defekty w trakcie wzrostu”.

Odniesienie: „Topnienie umożliwia wzrost kryształów dolomitu w warunkach bliskich temperaturze otoczenia”, Junsu Kim, Yuki Kimura, Brian Buchala, Tomoya Yamazaki, Udo Becker i Wenhao Sun, 23 listopada 2023 r., Nauki.
doi: 10.1126/science.adi3690

Badania zostały sfinansowane ze środków New Doctoral Investigator Grant przyznanych przez Amerykańskie Towarzystwo Chemiczne PRF, Departament Energii Stanów Zjednoczonych i Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki.