„Problema Dolomiților” – Oamenii de știință rezolvă un mister geologic vechi de 200 de ani

Pentru a crea munți de dolomit, un mineral comun, acesta trebuie topit periodic. Acest concept aparent contradictoriu poate ajuta la crearea de noi produse impecabile Semiconductori Și altele.

Timp de două secole, oamenii de știință nu au reușit să producă un mineral comun în laborator în condițiile despre care se crede că s-au format în mod natural. Acum, o echipă de cercetători de la Universitatea din Michigan și Universitatea din Hokkaido În Sapporo, Japonia a reușit în cele din urmă exact asta, datorită unei noi teorii dezvoltate prin simulări atomice.

Succesul lor rezolvă un mister geologic de lungă durată numit „Problema Dolomiților”. Dolomitul – un mineral major găsit în Munții Dolomite din Italia, Cascada Niagara și Hoodoo din Utah – este abundent în roci Mai vechi de 100 de milioane de aniCu toate acestea, este aproape absent în formațiunile tinere.

Wenhao Sun, profesor asistent Dow de știință și inginerie a materialelor la Universitatea din Michigan, și Junsu Kim, doctorand în știința materialelor și inginerie în grupul de cercetare al profesorului Sun, arată roci de dolomit din colecția laboratorului lor. Cei doi oameni de știință au dezvoltat o teorie care ar putea explica în sfârșit un mister vechi de două secole despre abundența dolomitei pe Pământ. Credit: Marcin Szczybanski, Senior Multimedia Storyteller, Michigan Engineering.

Importanța înțelegerii creșterii dolomitei

„Dacă înțelegem cum crește dolomita în natură, putem învăța noi strategii pentru a îmbunătăți creșterea cristalelor materialelor tehnologice moderne”, a spus recent Wenhao Sun, profesor de știința și inginerie a materialelor la Universitatea Dow și autor corespondent al lucrării. Publicat în Științe.

Secretul creșterii în sfârșit a dolomitei în laborator a fost eliminarea defectelor din structura minerală pe măsură ce creștea. Când mineralele se formează în apă, atomii sunt de obicei depuși cu grijă la marginea suprafeței cristaline în creștere. Cu toate acestea, marginea de creștere a dolomitei constă din rânduri alternative de calciu și magneziu. În apă, calciul și magneziul se atașează aleatoriu de cristalul de dolomit în creștere, deseori depunându-se în locul greșit și creând defecte care împiedică formarea unor straturi suplimentare de dolomit. Această perturbare încetinește creșterea dolomitei până la un târâș, ceea ce înseamnă că ar dura 10 milioane de ani pentru a face doar un strat de dolomit ordonat.

Structura de margine de cristal de dolomit. Rânduri de magneziu (bile portocalii) alternează cu rânduri de calciu (bile albastre), intercalate cu carbonați (structuri negre). Săgețile roz arată direcțiile de creștere a cristalelor. Calciul și magneziul se leagă adesea incorect de marginea de creștere, oprind creșterea dolomitei. Sursa imaginii: Junsu Kim, doctorand în Știința și Ingineria Materialelor, Universitatea din Michigan.

Din fericire, aceste defecte nu sunt remediate. Deoarece atomii dezordonați sunt mai puțin stabili decât atomii aflați în poziția corectă, ei sunt primii care se dizolvă atunci când metalul este spălat cu apă. Spălarea în mod repetat a acestor defecte – de exemplu, cu cicluri de ploaie sau maree – permite formarea stratului de dolomit în doar câțiva ani. De-a lungul timpului geologic, munții dolomiți se pot acumula.

Tehnici avansate de simulare

Pentru a simula cu exactitate creșterea dolomitei, cercetătorii au trebuit să calculeze cât de puternic sau slab erau atașați atomii de suprafața dolomitei existente. Simulări mai precise necesită energia fiecărei interacțiuni dintre electroni și atomi din cristalul în creștere. Astfel de calcule exhaustive necesită de obicei cantități masive de putere de calcul, dar software-ul dezvoltat la Centrul pentru Știința Materialelor Structurale Predictive (PRISMS) al Universității din Maryland a oferit o comandă rapidă.

„Software-ul nostru calculează energia unor aranjamente atomice și apoi le extrapolează pentru a prezice energiile altor aranjamente pe baza simetriei structurii cristaline”, a spus Brian Buchala, unul dintre dezvoltatorii principali ai programului și cercetător asociat la Universitate. al departamentului Maryland. Știința și ingineria materialelor.

Această comandă rapidă a făcut posibilă simularea creșterii dolomitei pe perioade de timp geologice.

Dolomitul este un mineral atât de comun în rocile antice încât formează munți precum lanțul muntos cu același nume din nordul Italiei. Dar dolomita este rară în rocile mai tinere și nu poate fi făcută într-un laborator în condițiile în care s-a format în mod natural. O nouă teorie i-a ajutat pe oamenii de știință să crească mineralul în laborator la temperatură și presiune normale pentru prima dată și ar putea ajuta la explicarea deficitului de dolomite în rocile mai tinere. Sursa imagine: Francesca.z73 prin Wikimedia Commons.

„Fiecare pas atomic durează, de obicei, mai mult de 5.000 de ore CPU pe un supercomputer. Acum, putem face același calcul în 2 milisecunde pe un desktop”, a spus Junsu Kim, doctorand în știința și ingineria materialelor și primul autor al studiului.

Aplicație practică și testare teoretică

Puținele zone în care se formează astăzi dolomita sunt inundate intermitent și ulterior se usucă, ceea ce este de acord cu teoria lui Sun și Kim. Dar numai astfel de dovezi nu au fost suficiente pentru a fi complet convingătoare. Intră Yuki Kimura, profesor de știința materialelor de la Universitatea Hokkaido, și Tomoya Yamazaki, cercetător postdoctoral în laboratorul lui Kimura. Ei au testat noua teorie folosind microscoape electronice cu transmisie.

„Microscoapele electronice folosesc de obicei doar fasciculele de electroni pentru a obține imagini”, a spus Kimura. „Cu toate acestea, fasciculul poate împărți și apa, făcând… acru Ceea ce poate determina dizolvarea cristalelor. Acesta este de obicei un lucru rău pentru fotografie, dar în acest caz, descompunerea este exact ceea ce ne-am dorit.

După ce au plasat un mic cristal de dolomită într-o soluție de calciu și magneziu, Kimura și Yamazaki au pulsat ușor fasciculul de electroni de 4.000 de ori timp de două ore, îndepărtând defectele. După pulsuri, dolomita a fost văzută crescând cu aproximativ 100 de nanometri, de aproximativ 250.000 de ori mai mică decât un inch. Deși acestea erau doar 300 de straturi de dolomit, nu mai mult de cinci straturi de dolomit au fost cultivate vreodată într-un laborator înainte.

Lecțiile învățate din problema dolomitei ar putea ajuta inginerii să producă materiale de calitate superioară pentru semiconductori, panouri solare, baterii și alte tehnologii.

„În trecut, cultivatorii de cristale care doreau să facă materiale impecabile încercau să le cultive foarte încet”, a spus Sun. „Teoria noastră arată că puteți crește rapid materiale fără defecte, dacă dizolvați defectele periodic în timpul creșterii.”

Referință: „Topirea permite creșterea cristalelor de dolomit în condiții apropiate de mediu” de Junsu Kim, Yuki Kimura, Brian Buchala, Tomoya Yamazaki, Udo Becker și Wenhao Sun, 23 noiembrie 2023, Științe.
doi: 10.1126/science.adi3690

Cercetarea a fost finanțată de un nou grant de investigator doctorat de la Societatea Americană de Chimie PRF, Departamentul de Energie al SUA și Societatea Japoneză pentru Promovarea Științei.