„Проблем Доломита“ – Научници решавају 200 година стару геолошку мистерију

Да би се створиле планине доломита, уобичајеног минерала, мора се периодично топити. Овај наизглед контрадикторан концепт може помоћи да нови производи буду беспрекорни Полупроводници И још.

Два века научници нису успели да произведу уобичајени минерал у лабораторији у условима за које се верује да су настали природним путем. Сада, тим истраживача са Универзитета у Мичигену и Универзитет Хокаидо У Сапору, Јапан је коначно постигао управо то, захваљујући новој теорији развијеној кроз атомске симулације.

Њихов успех решава дугогодишњу геолошку мистерију под називом „Проблем Доломита“. Доломит – главни минерал пронађен у планинама Доломита у Италији, Нијагариним водопадима и Худу у Јути – има у изобиљу стена Старији од 100 милиона годинаМеђутим, у младим формацијама скоро га нема.

Венхао Сун, Дов доцент за науку о материјалима и инжењерство на Универзитету у Мичигену, и Јунсу Ким, докторант науке о материјалима и инжењерству у истраживачкој групи професора Суна, показују доломитне стене из колекције њихове лабораторије. Двојица научника развила су теорију која би коначно могла да објасне два века стару мистерију о обиљу доломита на Земљи. Заслуге: Марцин Сзцзибански, Сениор Мултимедиа Сторителлер, Мицхиган Енгинееринг.

Важност разумевања раста доломита

„Ако разумемо како доломит расте у природи, могли бисмо научити нове стратегије за побољшање раста кристала модерних технолошких материјала“, рекао је недавно Венхао Сун, професор науке о материјалима и инжењеринга на Универзитету Доу и одговарајући аутор овог документа. Објављена у науке.

Тајна коначног узгоја доломита у лабораторији било је уклањање недостатака у минералној структури како је растао. Када се минерали формирају у води, атоми се обично уредно таложе на ивици растуће кристалне површине. Међутим, ивица раста доломита се састоји од наизменичних редова калцијума и магнезијума. У води се калцијум и магнезијум насумично везују за растући кристал доломита, често се таложе на погрешном месту и стварају дефекте који спречавају формирање додатних слојева доломита. Овај поремећај успорава раст доломита до пузања, што значи да би било потребно 10 милиона година да се направи само један слој уређеног доломита.

Структура ивице кристала доломита. Редови магнезијума (наранџасте куглице) смењују се са редовима калцијума (плаве куглице), испресецане карбонатима (црне структуре). Ружичасте стрелице показују правце раста кристала. Калцијум и магнезијум се често погрешно везују за ивицу раста, заустављајући раст доломита. Извор слике: Јунсу Ким, докторант из науке о материјалима и инжењерства, Универзитет у Мичигену.

На срећу, ови недостаци нису поправљени на месту. Пошто су неуређени атоми мање стабилни од атома у исправном положају, они се први растварају када се метал испере водом. Непрестано испирање ових грешака — на пример, кишом или циклусима плиме — омогућава да се слој доломита формира за само неколико година. Током геолошког времена, доломитске планине се могу акумулирати.

Напредне технике симулације

Да би тачно симулирали раст доломита, истраживачи су морали да израчунају колико су атоми снажно или слабо причвршћени за површину постојећег доломита. Прецизније симулације захтевају енергију сваке интеракције између електрона и атома у растућем кристалу. Овако исцрпни прорачуни обично захтевају огромне количине рачунарске снаге, али софтвер развијен у Центру за предиктивну науку о структурним материјалима (ПРИСМС) Универзитета Мериленд пружио је пречицу.

„Наш софтвер израчунава енергију неких атомских аранжмана, а затим их екстраполира да би предвидео енергије других аранжмана на основу симетрије кристалне структуре“, рекао је Брајан Бучала, један од водећих програмера програма и научни сарадник на Универзитету. департмана Мериленд. Наука о материјалима и инжењерство.

Ова пречица је омогућила да се симулира раст доломита у геолошким временским скалама.

Доломит је минерал који је толико чест у древним стенама да формира планине као што је истоимени планински венац у северној Италији. Али доломит је реткост у млађим стенама и не може се направити у лабораторији у условима у којима се природно формирао. Нова теорија је помогла научницима да узгајају минерал у лабораторији на нормалној температури и притиску по први пут, и могла би да помогне да се објасни недостатак доломита у млађим стенама. Извор слике: Францесца.з73 преко Викимедиа Цоммонс.

„Сваки атомски корак обично траје више од 5.000 ЦПУ сати на суперкомпјутеру. Сада можемо да урадимо исти прорачун за 2 милисекунде на десктопу“, рекао је Јунсу Ким, докторант науке о материјалима и инжењерству и први аутор студије.

Практична примена и теоријско тестирање

Неколико области у којима се доломит данас формира повремено су поплављене и касније суше, што се добро слаже са Суновом и Кимовом теоријом. Али такви докази сами по себи нису били довољни да буду потпуно убедљиви. Уђите Јуки Кимура, професор науке о материјалима са Универзитета Хокаидо, и Томоја Јамазаки, постдокторски истраживач у Кимуриној лабораторији. Они су тестирали нову теорију користећи трансмисионе електронске микроскопе.

„Електронски микроскопи обично користе само електронске зраке за снимање узорака“, рекао је Кимура. „Међутим, сноп такође може да раздвоји воду, чинећи… кисело Што може довести до растварања кристала. Ово је обично лоша ствар за фотографију, али у овом случају, разлагање је управо оно што смо желели.

Након постављања малог кристала доломита у раствор калцијума и магнезијума, Кимура и Јамазаки су нежно пулсирали електронским снопом 4.000 пута током два сата, уклањајући дефекте. Након импулса, доломит је виђен како расте за око 100 нанометара, око 250.000 пута мање од једног инча. Иако је то било само 300 слојева доломита, никада раније у лабораторији није узгајано више од пет слојева доломита.

Лекције научене из проблема доломита могле би помоћи инжењерима да производе материјале високог квалитета за полупроводнике, соларне панеле, батерије и другу технологију.

„У прошлости су узгајивачи кристала који су желели да праве беспрекорне материјале покушавали да их узгајају веома споро“, рекао је Сун. „Наша теорија показује да можете брзо узгајати материјале без дефеката, ако повремено растварате недостатке током раста.

Референца: „Топљење омогућава раст доломитних кристала у условима блиским амбијенталним условима“ од Јунсу Ким, Иуки Кимура, Бриан Буцхала, Томоиа Иамазаки, Удо Бецкер и Венхао Сун, 23. новембар 2023. науке.
дои: 10.1126/сциенце.ади3690

Истраживање је финансирано од стране Нев докторског истраживачког гранта од Америчког хемијског друштва ПРФ, америчког Министарства енергетике и Јапанског друштва за промоцију науке.