„Problém Dolomit“ – Vědci řeší 200 let starou geologickou záhadu

Aby se vytvořily hory dolomitu, běžného minerálu, musí se pravidelně tavit. Tento zdánlivě protichůdný koncept může pomoci učinit nové produkty bezchybnými Polovodiče A více.

Po dvě století se vědcům nedaří vyrobit běžný minerál v laboratoři za podmínek, o kterých se věří, že vznikly přirozeně. Nyní tým výzkumníků z University of Michigan a Univerzita Hokkaido V Sapporu toho Japonsko konečně dosáhlo díky nové teorii vyvinuté pomocí atomových simulací.

Jejich úspěch řeší dlouhodobou geologickou záhadu zvanou „Problém Dolomitů“. Dolomit – klíčový minerál nalezený v Dolomitech v Itálii, Niagarských vodopádech, White Cliffs of Dover a Hoodoo v Utahu – je hojný ve skalách Starší než 100 milionů letV mladých formacích však téměř chybí.

Wenhao Sun, Dow asistent profesora materiálových věd a inženýrství na University of Michigan, a Junsu Kim, doktorand materiálových věd a inženýrství ve výzkumné skupině profesora Suna, ukazují dolomitové horniny ze sbírky své laboratoře. Oba vědci vyvinuli teorii, která by mohla konečně vysvětlit dvě století starou záhadu o hojnosti dolomitu na Zemi. Kredit: Marcin Szczybanski, Senior Multimedia Storyteller, Michigan Engineering.

Význam porozumění růstu dolomitu

„Pokud pochopíme, jak dolomit roste v přírodě, můžeme se naučit nové strategie pro posílení růstu krystalů moderních technologických materiálů,“ řekl nedávno Wenhao Sun, profesor materiálové vědy a inženýrství na Dow University a odpovídající autor článku. Publikoval v vědy.

Tajemstvím konečného pěstování dolomitu v laboratoři bylo odstraňování defektů v minerální struktuře během růstu. Když se ve vodě tvoří minerály, atomy se obvykle úhledně ukládají na okraji rostoucího krystalického povrchu. Růstovou hranu dolomitu však tvoří střídající se řady vápníku a hořčíku. Ve vodě se vápník a hořčík náhodně připojují k rostoucímu krystalu dolomitu, často se usazují na nesprávném místě a vytvářejí defekty, které brání tvorbě dalších vrstev dolomitu. Tato porucha zpomaluje růst dolomitu na plazení, což znamená, že vytvoření jediné vrstvy uspořádaného dolomitu by trvalo 10 milionů let.

Struktura okraje z dolomitového krystalu. Řady hořčíku (oranžové kuličky) se střídají s řadami vápníku (modré kuličky), proložené uhličitany (černé struktury). Růžové šipky ukazují směr růstu krystalů. Vápník a hořčík se často vážou na růstovou hranu nesprávně a zastavují růst dolomitu. Zdroj obrázku: Junsu Kim, doktorand v oboru materiálové vědy a inženýrství, University of Michigan.

Naštěstí tyto vady nejsou opraveny na místě. Protože neuspořádané atomy jsou méně stabilní než atomy ve správné poloze, rozpouštějí se jako první, když se kov promyje vodou. Opakované smývání těchto zlomů – například deštěm nebo přílivovými cykly – umožňuje vytvoření dolomitové vrstvy během pouhých několika let. V průběhu geologického času se mohou hromadit dolomitové hory.

Pokročilé simulační techniky

Pro přesnou simulaci růstu dolomitu potřebovali vědci vypočítat, jak silně nebo slabě byly atomy připojeny k povrchu stávajícího dolomitu. Přesnější simulace vyžadují energii každé interakce mezi elektrony a atomy v rostoucím krystalu. Takové vyčerpávající výpočty obvykle vyžadují obrovské množství výpočetního výkonu, ale software vyvinutý v Center for Predictive Structural Materials Science (PRISMS) na University of Maryland poskytl zkratku.

„Náš software vypočítává energii některých atomových uspořádání a poté je extrapoluje, aby předpověděl energie jiných uspořádání na základě symetrie krystalové struktury,“ řekl Brian Buchala, jeden z hlavních vývojářů programu a vědecký vědec na univerzitě. departementu Maryland. Materiálové vědy a inženýrství.

Tato zkratka umožnila simulovat růst dolomitu v geologických časových osách.

Dolomit je minerál tak běžný ve starověkých horninách, že tvoří hory, jako je stejnojmenné pohoří v severní Itálii. Dolomit je ale v mladších horninách vzácný a za podmínek, ve kterých se přirozeně vytvořil, nelze vyrobit v laboratoři. Nová teorie pomohla vědcům poprvé pěstovat minerál v laboratoři při normální teplotě a tlaku a mohla by pomoci vysvětlit nedostatek dolomitu v mladších horninách. Zdroj obrázků: Francesca.z73 přes Wikimedia Commons.

„Každý atomový krok obvykle zabere více než 5 000 hodin CPU na superpočítači. Nyní můžeme provést stejný výpočet za 2 milisekundy na stolním počítači,“ řekl Junsu Kim, doktorand v oboru materiálové vědy a inženýrství a první autor studie.

Praktická aplikace a teoretické testování

Těch pár oblastí, kde se dnes dolomit tvoří, je občas zaplavováno a později vysychá, což dobře souhlasí se Sunovou a Kimovou teorií. Ale takové důkazy samy o sobě nestačily k tomu, aby byly zcela přesvědčivé. Vstupují Yuki Kimura, profesor materiálové vědy z Hokkaidské univerzity, a Tomoya Yamazaki, postdoktorandský výzkumník v Kimurově laboratoři. Novou teorii testovali pomocí transmisních elektronových mikroskopů.

„Elektronové mikroskopy obvykle používají pouze elektronové paprsky k zobrazení vzorků,“ řekl Kimura. „Nicméně paprsek může také rozdělit vodu, takže… kyselý Což může způsobit rozpuštění krystalů. To je pro fotografii obvykle špatné, ale v tomto případě je rozklad přesně takový, jaký jsme chtěli.

Po umístění malého krystalu dolomitu do roztoku vápníku a hořčíku Kimura a Yamazaki během dvou hodin jemně 4000krát pulzovali elektronový paprsek, čímž odstranili defekty. Po pulsech bylo vidět, že dolomit roste asi o 100 nanometrů, což je asi 250 000 krát menší než palec. Přestože se jednalo pouze o 300 vrstev dolomitu, nikdy předtím nebylo v laboratoři vypěstováno více než pět vrstev dolomitu.

Ponaučení z problému dolomitů by mohla pomoci inženýrům vyrábět kvalitnější materiály pro polovodiče, solární panely, baterie a další technologie.

„V minulosti se pěstitelé krystalů, kteří chtěli vyrábět bezchybné materiály, snažili je pěstovat velmi pomalu,“ řekl Sun. „Naše teorie ukazuje, že můžete rychle vypěstovat materiály bez defektů, pokud budete defekty během růstu pravidelně rozpouštět.“

Reference: „Tání umožňuje růst dolomitových krystalů za podmínek blízkých okolnímu prostředí“ od Junsu Kim, Yuki Kimura, Brian Buchala, Tomoya Yamazaki, Udo Becker a Wenhao Sun, 23. listopadu 2023, vědy.
doi: 10.1126/science.adi3690

Výzkum byl financován grantem New Doctoral Investigator Grant od Americké chemické společnosti PRF, Ministerstva energetiky USA a Japonské společnosti na podporu vědy.