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

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

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.