„A dolomit probléma” – A tudósok egy 200 éves geológiai rejtélyt oldanak meg

Ahhoz, hogy dolomit-hegyeket hozzon létre, amely egy gyakori ásvány, rendszeresen meg kell olvasztani. Ez a látszólag ellentmondásos koncepció segíthet abban, hogy az új termékek hibátlanok legyenek Félvezetők És több.

A tudósoknak két évszázadon át nem sikerült laboratóriumi körülmények között előállítaniuk egy közös ásványt olyan körülmények között, amelyekről úgy gondolják, hogy természetes módon keletkeztek. Most a Michigani Egyetem kutatócsoportja és Hokkaido Egyetem Sapporóban Japán végre elérte ezt, köszönhetően az atomszimulációkkal kidolgozott új elméletnek.

Sikerük megoldja a „Dolomit-problémának” nevezett, régóta fennálló geológiai rejtélyt. A dolomit – az olaszországi Dolomit-hegységben, a Niagara-vízesésben és a utahi Hoodoo-ban található fő ásvány – bővelkedik kőzetekben. 100 millió évnél régebbiA fiatal formációkban azonban szinte hiányzik.

Wenhao Sun, a Dow anyagtudományi és mérnöki adjunktusa a Michigani Egyetemen, valamint Junsu Kim, a Sun professzor kutatócsoportjának anyagtudományi és mérnöki doktorandusza dolomit kőzeteket mutat be laboratóriumuk gyűjteményéből. A két tudós olyan elméletet dolgozott ki, amely végre megmagyarázhat egy két évszázados rejtélyt a Földön található dolomitbőségről. Köszönetnyilvánítás: Marcin Szczybanski, Senior Multimedia Storyteller, Michigan Engineering.

A dolomit növekedésének megértésének fontossága

„Ha megértjük, hogyan növekszik a dolomit a természetben, új stratégiákat tanulhatunk meg a modern technológiai anyagok kristálynövekedésének fokozására” – mondta nemrég Wenhao Sun, a Dow Egyetem anyagtudományi és mérnöki professzora, a tanulmány megfelelő szerzője. Kiadva Tudományok.

A dolomit laboratóriumi termesztésének titka az volt, hogy a növekedés során az ásványi szerkezet hibáit eltávolították. Amikor ásványi anyagok képződnek a vízben, az atomok általában szépen lerakódnak a növekvő kristályos felület szélén. A dolomit növekedési széle azonban kalcium és magnézium váltakozó soraiból áll. A vízben a kalcium és a magnézium véletlenszerűen tapad a növekvő dolomitkristályhoz, gyakran rossz helyen telepednek meg, és olyan hibákat hoznak létre, amelyek megakadályozzák további dolomitrétegek kialakulását. Ez a zavar lelassítja a dolomit növekedését csúszássá, ami azt jelenti, hogy 10 millió évbe telne egyetlen réteg rendezett dolomit elkészítése.

Dolomit kristály élszerkezet. A magnézium sorai (narancssárga golyók) váltakoznak a kalcium soraival (kék golyók), karbonátokkal (fekete struktúrák) tarkítva. A rózsaszín nyilak mutatják a kristálynövekedés irányát. A kalcium és a magnézium gyakran helytelenül kötődik a növekedési szélhez, leállítva a dolomit növekedését. A kép forrása: Junsu Kim, anyagtudományi és mérnöki doktorandusz, Michigan Egyetem.

Szerencsére ezeket a hibákat nem javítják a helyükön. Mivel a rendezetlen atomok kevésbé stabilak, mint a megfelelő helyzetben lévő atomok, ezek oldódnak fel először, amikor a fémet vízzel mossák. Ha ezeket a hibákat ismételten elmossuk – például esővel vagy árapály-ciklusokkal –, a dolomitréteg néhány év alatt kialakulhat. A geológiai idő múlásával dolomit hegyek halmozódhatnak fel.

Fejlett szimulációs technikák

A dolomit növekedésének pontos szimulálásához a kutatóknak ki kellett számítaniuk, hogy az atomok milyen erősen vagy gyengén kapcsolódnak a meglévő dolomit felületéhez. A pontosabb szimulációk megkövetelik az egyes elektronok és atomok közötti kölcsönhatások energiáját a növekvő kristályban. Az ilyen kimerítő számítások általában hatalmas számítási teljesítményt igényelnek, de a Marylandi Egyetem Prediktív Szerkezeti Anyagtudományi Központjában (PRISMS) kifejlesztett szoftver parancsikont kínál.

„Szoftverünk kiszámítja egyes atomi elrendezések energiáját, majd extrapolálja azokat, hogy megjósolja más elrendezések energiáit a kristályszerkezet szimmetriája alapján” – mondta Brian Buchala, a program egyik vezető fejlesztője és az egyetem kutatótársa. Maryland megye. Anyagtudomány és mérnöki tudomány.

Ez a parancsikon lehetővé tette a dolomit növekedésének szimulálását geológiai időskálán keresztül.

A dolomit az ősi kőzetekben annyira elterjedt ásvány, hogy hegyeket képez, például az azonos nevű hegyláncot Észak-Olaszországban. A dolomit azonban ritka a fiatalabb kőzetekben, és nem készíthető laboratóriumban olyan körülmények között, amelyek között természetes módon keletkezett. Egy új elmélet először segített a tudósoknak az ásványt laboratóriumban, normál hőmérsékleten és nyomáson termeszteni, és segíthet megmagyarázni a dolomit hiányát a fiatalabb kőzetekben. A kép forrása: Francesca.z73 a Wikimedia Commons segítségével.

„Minden egyes atomlépés általában több mint 5000 CPU-órát vesz igénybe egy szuperszámítógépen. Most már 2 ezredmásodperc alatt elvégezhetjük ugyanezt a számítást egy asztali számítógépen” – mondta Junsu Kim, anyagtudományi és mérnöki doktorandusz, a tanulmány első szerzője.

Gyakorlati alkalmazás és elméleti tesztelés

Az a néhány terület, ahol manapság dolomit képződik, időszakosan elönti a víz, majd később kiszárad, ami jól egyezik Sun és Kim elméletével. De ezek a bizonyítékok önmagukban nem voltak elégségesek ahhoz, hogy teljesen meggyőzőek legyenek. Lépjen be Yuki Kimura, a Hokkaido Egyetem anyagtudományi professzora és Tomoya Yamazaki, Kimura laboratóriumának posztdoktori kutatója. Transzmissziós elektronmikroszkópokkal tesztelték az új elméletet.

„Az elektronmikroszkópok általában csak elektronsugarat használnak a minták leképezésére” – mondta Kimura. „A sugár azonban a vizet is megoszthatja, így… savanyú Ami a kristályok feloldódását okozhatja. Ez általában rossz dolog a fotózásnál, de ebben az esetben a dekompozíció pontosan az, amit szerettünk volna.

Miután egy kis dolomitkristályt kalcium-magnézium-oldatba helyeztek, Kimura és Yamazaki két óra alatt 4000-szer gyengéden pulzálta az elektronsugarat, eltávolítva a hibákat. Az impulzusok után a dolomit körülbelül 100 nanométerrel nőtt, ami körülbelül 250 000-szer kisebb, mint egy hüvelyk. Bár ez csak 300 réteg dolomit volt, korábban soha nem termesztettek laboratóriumban öt réteg dolomitnál többet.

A dolomitprobléma tanulságai segíthetik a mérnököket abban, hogy jobb minőségű anyagokat állítsanak elő félvezetők, napelemek, akkumulátorok és egyéb technológiák számára.

„Régebben a kristálytermesztők, akik hibátlan anyagokat akartak készíteni, nagyon lassan próbálták termeszteni” – mondta Sun. „Elméletünk azt mutatja, hogy gyorsan lehet hibátlan anyagokat növeszteni, ha a hibákat a növekedés során időszakonként feloldja.”

Hivatkozás: Junsu Kim, Yuki Kimura, Brian Buchala, Tomoya Yamazaki, Udo Becker és Wenhao Sun „Melting Enables Growth of Dolomite Crystals at Near Ambient Conditions”, 2023. november 23. Tudományok.
doi: 10.1126/science.adi3690

A kutatást az American Chemical Society PRF, az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma és a Japan Society for the Promotion of Science finanszírozta az új doktori kutatói ösztöndíj.