Среда, 21 февраля, 2024
ДомойНаука«Проблема доломита»: ученые разгадали 200-летнюю загадку геологии

«Проблема доломита»: ученые разгадали 200-летнюю загадку геологии

- Advertisement -

Профессор Вэньхао Сунь демонстрирует доломит из своей личной коллекции камней. Сан изучает рост кристаллов минералов с точки зрения материаловедения. Понимая, как атомы собираются вместе, образуя природные минералы, он считает, что мы сможем раскрыть фундаментальные механизмы роста кристаллов, которые можно использовать для более быстрого и эффективного создания функциональных материалов. Фото: Марцин Щепански, ведущий мультимедийный рассказчик, Michigan Engineering.

Чтобы создать горы из доломита, распространенного минерала, его необходимо периодически растворять. Эта, казалось бы, парадоксальная концепция может помочь сделать новые устройства бездефектными. полупроводники и более.

На протяжении двух столетий ученым не удавалось вырастить обычный минерал в лаборатории в условиях, которые, как считается, сформировали его естественным путем. Теперь группа исследователей из Мичиганского университета и Университет Хоккайдо в Саппоро, Япония, наконец, осуществили это благодаря новой теории, разработанной на основе атомного моделирования.

Их успех решает давнюю геологическую загадку под названием «Проблема Доломитов». Доломит — ключевой минерал Доломитовых Альп в Италии, Ниагарского водопада и Худу в штате Юта — очень распространен в горных породах. старше 100 миллионов летно почти отсутствует в более молодых образованиях.

Вэньхао Сунь, доцент кафедры материаловедения и инженерии Dow в Мичиганском университете, и Джунсу Ким, аспирант кафедры материаловедения и инженерии в исследовательской группе профессора Суня, демонстрируют доломитовые породы из коллекции своей лаборатории. Два учёных разработали теорию, которая могла бы, наконец, объяснить загадку двухвековой давности, связанную с изобилием доломита на Земле. Фото: Марцин Щепански, ведущий мультимедийный рассказчик, Michigan Engineering.

Важность понимания роста доломита

«Если мы поймем, как доломит растет в природе, мы могли бы изучить новые стратегии, способствующие росту кристаллов современных технологических материалов», — сказал Вэньхао Сунь, профессор материаловедения и инженерии Dow в UM и автор статьи, недавно участвовавшей в переписке. опубликовано в Наука.

Секрет выращивания доломита в лаборатории заключался в устранении дефектов минеральной структуры по мере его роста. Когда минералы образуются в воде, атомы обычно аккуратно осаждаются на краю растущей поверхности кристалла. Однако край роста доломита состоит из чередующихся рядов кальция и магния. В воде кальций и магний случайным образом прикрепляются к растущим кристаллам доломита, часто застревая не в том месте и создавая дефекты, которые препятствуют образованию дополнительных слоев доломита. Это нарушение замедляет рост доломита, а это означает, что для образования хотя бы одного слоя упорядоченного доломита потребуется 10 миллионов лет.

Строение края кристалла доломита. Ряды магния (оранжевые сферы) чередуются с рядами кальция (синие сферы) и перемежаются карбонатом (черные структуры). Розовые стрелки показывают направления роста кристаллов. Кальций и магний часто неправильно прикрепляются к краю роста, что останавливает рост доломита. Фото: Джунсу Ким, аспирант кафедры материаловедения и инженерии, Мичиганский университет.

К счастью, эти дефекты не устранены. Поскольку неупорядоченные атомы менее стабильны, чем атомы в правильном положении, они растворяются первыми при промывании минерала водой. Многократное смывание этих дефектов, например, дождями или приливами, позволяет сформировать слой доломита всего за несколько лет. За геологическое время могут накопиться горы доломита.

Передовые методы моделирования

Чтобы точно смоделировать рост доломита, исследователям необходимо было рассчитать, насколько сильно или слабо атомы будут прикрепляться к существующей поверхности доломита. Для наиболее точного моделирования требуется энергия каждого отдельного взаимодействия между электронами и атомами в растущем кристалле. Такие исчерпывающие расчеты обычно требуют огромных вычислительных мощностей, но программное обеспечение, разработанное в Центре материаловедения с прогнозируемой структурой (PRISMS) UM, предлагает кратчайший путь.

«Наше программное обеспечение вычисляет энергию для некоторых атомных расположений, а затем экстраполирует, чтобы предсказать энергии для других расположений на основе симметрии кристаллической структуры», — сказал Брайан Пучала, один из ведущих разработчиков программного обеспечения и младший научный сотрудник отдела UM. материаловедения и инженерии.

Этот ярлык позволил смоделировать рост доломита в геологических временных масштабах.

Доломит — это минерал, настолько распространенный в древних горных породах, что он образует горы, подобные одноименному горному хребту на севере Италии. Но доломит редко встречается в более молодых породах, и его невозможно получить в лаборатории в тех условиях, в которых он образовался естественным путем. Новая теория впервые помогла ученым вырастить минерал в лаборатории при обычной температуре и давлении и может помочь объяснить нехватку доломита в более молодых породах. Фото предоставлено: Francesca.z73 через Wikimedia Commons.

«Каждый атомарный шаг на суперкомпьютере обычно занимает более 5000 часов процессора. Теперь мы можем выполнить тот же расчет за 2 миллисекунды на настольном компьютере», — сказал Джунсу Ким, докторант в области материаловедения и инженерии и первый автор исследования.

Практическое применение и проверка теории

Те немногие районы, где сегодня образуется доломит, периодически затопляются, а затем высыхают, что хорошо согласуется с теорией Сана и Кима. Но одних таких доказательств было недостаточно, чтобы быть полностью убедительными. Встречаются Юки Кимура, профессор материаловедения из Университета Хоккайдо, и Томоя Ямадзаки, научный сотрудник лаборатории Кимуры. Они проверили новую теорию с помощью трансмиссионного электронного микроскопа.

«Электронные микроскопы обычно используют электронные лучи только для изображения образцов», — сказал Кимура. «Однако луч также может расщеплять воду, что делает кислота это может привести к растворению кристаллов. Обычно это плохо для визуализации, но в данном случае растворение — это именно то, что нам нужно».

Поместив крошечный кристалл доломита в раствор кальция и магния, Кимура и Ямадзаки осторожно направили электронный луч 4000 раз в течение двух часов, растворяя дефекты. Было замечено, что после импульсов доломит вырос примерно на 100 нанометров — примерно в 250 000 раз меньше дюйма. Хотя это было всего лишь 300 слоев доломита, никогда раньше в лаборатории не выращивали более пяти слоев доломита.

Уроки, извлеченные из проблемы доломита, могут помочь инженерам производить более качественные материалы для полупроводников, солнечных панелей, батарей и других технологий.

«В прошлом производители кристаллов, которые хотели производить материалы без дефектов, старались выращивать их очень медленно», — сказал Сан. «Наша теория показывает, что можно быстро вырастить бездефектные материалы, если периодически устранять дефекты во время роста».

Ссылка: «Растворение обеспечивает рост кристаллов доломита в условиях окружающей среды», Джунсу Ким, Юки Кимура, Брайан Пучала, Томоя Ямадзаки, Удо Беккер и Венхао Сан, 23 ноября 2023 г., Наука.
DOI: 10.1126/science.adi3690.

Исследование финансировалось за счет гранта Американского химического общества для новых докторантов, Министерства энергетики США и Японского общества содействия науке.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме