«Проблема Доломитов»: ученые разгадали 200-летнюю геологическую загадку

Чтобы создать горы из доломита, распространенного минерала, его необходимо периодически плавить. Эта, казалось бы, противоречивая концепция может помочь сделать новые продукты безупречными. Полупроводники И более.

На протяжении двух столетий ученым не удавалось получить обычный минерал в лаборатории в условиях, которые, как считается, образовались естественным путем. Теперь группа исследователей из Мичиганского университета и Университет Хоккайдо В Саппоро Япония, наконец, добилась именно этого благодаря новой теории, разработанной с помощью атомного моделирования.

Их успех решает давнюю геологическую загадку под названием «Проблема Доломитов». Доломит — основной минерал, обнаруженный в Доломитовых Альпах в Италии, на Ниагарском водопаде и в Худу в штате Юта, — изобилует горными породами. Старше 100 миллионов летОднако в молодых образованиях он практически отсутствует.

Вэньхао Сунь, доцент кафедры материаловедения и инженерии компании Dow в Мичиганском университете, и Джунсу Ким, аспирант в области материаловедения и инженерии из исследовательской группы профессора Суня, демонстрируют доломитовые породы из коллекции своей лаборатории. Два учёных разработали теорию, которая могла бы, наконец, объяснить двухвековую тайну об изобилии доломита на Земле. Фото: Марцин Щибански, старший рассказчик мультимедийных материалов, Michigan Engineering.

Важность понимания роста доломита

«Если мы поймем, как доломит растет в природе, мы сможем изучить новые стратегии для улучшения роста кристаллов современных технологических материалов», — сказал недавно Вэньхао Сунь, профессор материаловедения и инженерии в Университете Доу и автор статьи. Опубликовано в Науки.

Секрет выращивания доломита в лаборатории заключался в устранении дефектов минеральной структуры по мере его роста. Когда минералы образуются в воде, атомы обычно аккуратно откладываются на краю растущей кристаллической поверхности. Однако край роста доломита состоит из чередующихся рядов кальция и магния. В воде кальций и магний хаотично прикрепляются к растущим кристаллам доломита, часто оседая не в том месте и создавая дефекты, препятствующие 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.

Краевая структура кристаллов доломита. Ряды магния (оранжевые шарики) чередуются с рядами кальция (синие шарики) с вкраплениями карбонатов (черные структуры). Розовые стрелки показывают направления роста кристаллов. Кальций и магний часто неправильно связываются с краем роста, останавливая рост доломита. Источник изображения: Джунсу Ким, аспирант кафедры материаловедения и инженерии Мичиганского университета.

К счастью, эти дефекты не устраняются. Поскольку неупорядоченные атомы менее стабильны, чем атомы в правильном положении, они растворяются первыми при промывке металла водой. Многократное смывание этих разломов — например, дождями или приливами — позволяет слою доломита сформироваться всего за несколько лет. С течением геологического времени доломитовые горы могут накапливаться.

Передовые методы моделирования

Чтобы точно смоделировать рост доломита, исследователям необходимо было рассчитать, насколько сильно или слабо атомы прикреплены к поверхности существующего доломита. Для более точного моделирования требуется энергия каждого взаимодействия между электронами и атомами в растущем кристалле. Такие исчерпывающие расчеты обычно требуют огромных вычислительных мощностей, но программное обеспечение, разработанное в Центре прогнозного структурного материаловедения (PRISMS) Университета Мэриленда, обеспечивает кратчайший путь.

«Наше программное обеспечение вычисляет энергию некоторых атомных расположений, а затем экстраполирует их, чтобы предсказать энергии других расположений на основе симметрии кристаллической структуры», — сказал Брайан Бучала, один из ведущих разработчиков программы и младший научный сотрудник Университета. департамента Мэриленда. Материаловедение и инженерия.

Этот ярлык позволил смоделировать рост доломита в геологических временных масштабах.

Доломит — минерал, настолько распространенный в древних горных породах, что образует такие горы, как одноименный горный массив на севере Италии. Но доломит редко встречается в более молодых породах и не может быть получен в лаборатории в тех условиях, в которых он образовался естественным путем. Новая теория впервые помогла ученым вырастить этот минерал в лаборатории при нормальной температуре и давлении и может помочь объяснить нехватку доломита в более молодых породах. Источник изображения: 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, аспирант 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 трансмиссионных электронных микроскопов.

«Электронные микроскопы обычно используют электронные лучи только для изображения образцов», — сказал Кимура. «Однако луч также может расколоть воду, сделав… кислый Это может привести к растворению кристаллов. Обычно это плохо для фотографии, но в данном случае разложение — именно то, что мы хотели.

Поместив небольшой кристалл доломита в раствор кальция и магния, Кимура и Ямадзаки осторожно подали электронный луч 4000 раз в течение двух часов, устраняя дефекты. После импульсов доломит вырос примерно на 100 нанометров, что примерно в 250 000 раз меньше дюйма. Хотя это были всего лишь 300 слоев доломита, до этого в лаборатории никогда не выращивали не 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 безупречные материалы, пытались выращивать их очень медленно», — сказал Сан. «Наша теория показывает, что можно быстро вырастить бездефектные материалы, если периодически растворять дефекты во время роста».

Ссылка: «Плавление обеспечивает рост кристаллов доломита в условиях, близких к окружающей среде», Джунсу Ким, Юки Кимура, Брайан Бучала, Томоя Ямадзаки, Удо Беккер и Венхао Сан, 23 ноября 2023 г., Науки.
doi: 10.1126/science.adi3690

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