На протяжении 200 лет ученым не удавалось вырастить обычный минерал в лаборатории в условиях, которые, как считается, сформировали его естественным путем. Теперь команде исследователей из Мичиганского университета и Университета Хоккайдо в Саппоро, Япония, наконец-то удалось добиться успеха благодаря новой теории, разработанной на основе атомного моделирования. Их успех решает давнюю геологическую загадку под названием «Проблема Доломитов». Доломит — ключевой минерал Доломитовых Альп в Италии, Ниагарского водопада, Белых скал Дувра и Худу в штате Юта — очень распространен в породах возрастом более 100 миллионов лет, но почти отсутствует в более молодых образованиях. «Если мы поймем, как доломит растет в природе, мы сможем изучить новые стратегии, способствующие росту кристаллов современных технологических материалов», — сказал Вэньхао Сунь, профессор материаловедения и инженерии Dow в UM и автор опубликованной статьи. сегодня в науке. Секрет выращивания доломита в лаборатории заключался в устранении дефектов минеральной структуры по мере его роста. Когда минералы образуются в воде, атомы обычно аккуратно осаждаются на краю растущей поверхности кристалла. Однако край роста доломита состоит из чередующихся рядов кальция и магния.
В воде кальций и магний случайным образом прикрепляются к растущим кристаллам доломита, часто застревая не в том месте и создавая дефекты, которые препятствуют 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. К счастью, эти дефекты не устранены. Поскольку неупорядоченные атомы менее стабильны, чем атомы в правильном положении, они растворяются первыми при промывании минерала водой. Многократное смывание этих дефектов, например, дождями или приливами, позволяет сформировать слой доломита всего за несколько лет. За геологическое время могут накопиться горы доломита. Чтобы точно смоделировать рост доломита, исследователям необходимо было рассчитать, насколько сильно или слабо атомы будут прикрепляться к существующей поверхности доломита. Для наиболее точного моделирования требуется энергия каждого отдельного взаимодействия между электронами и атомами в растущем кристалле. Такие исчерпывающие расчеты обычно требуют огромных вычислительных мощностей, но программное обеспечение, разработанное в Центре материаловедения с прогнозируемой структурой (PRISMS) UM, предлагает кратчайший путь.
«Наше программное обеспечение вычисляет энергию для некоторых атомных расположений, а затем экстраполирует, чтобы предсказать энергии для других расположений на основе симметрии кристаллической структуры», — сказал Брайан Пучала, один из ведущих разработчиков программного обеспечения и младший научный сотрудник отдела UM. материаловедения и инженерии. Этот ярлык позволил смоделировать рост доломита в геологических временных масштабах. «На суперкомпьютере каждый атомный шаг обычно занимает более 5000 часов процессора. Теперь мы можем выполнить тот же расчет за 2 миллисекунды на настольном компьютере», — сказал Джунсу Ким, докторант в области материаловедения и инженерии и первый автор исследования. 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 трансмиссионного электронного микроскопа.
«Электронные микроскопы обычно используют электронные лучи только для изображения образцов», — сказал Кимура. «Однако луч также может расщеплять воду, в результате чего образуется кислота, которая может вызвать растворение кристаллов. Обычно это плохо для визуализации, но в данном случае растворение — это именно то, что мы хотели». Поместив крошечный кристалл доломита в раствор кальция и магния, Кимура и Ямадзаки осторожно направили электронный луч 4000 раз в течение двух часов, растворяя дефекты. Было замечено, что после импульсов доломит вырос примерно на 100 нанометров — примерно в 250 000 раз меньше дюйма. Хотя это было всего лишь 300 слоев доломита, никогда раньше в лаборатории не выращивали более пяти слоев доломита. Уроки, извлеченные из проблемы доломитов, могут помочь инженерам производить более качественные материалы для полупроводников, солнечных панелей, батарей и других технологий. «В прошлом производители кристаллов, которые хотели производить материалы без дефектов, старались выращивать их очень медленно», — сказал Сан. «Наша теория показывает, что можно быстро вырастить бездефектные материалы, если периодически устранять дефекты во время роста».
