|
Тайна происхождения минералов
|
|
|
|
Сотни миллионов лет назад существа, обитавшие в первобытных морях, вымерли, и их останки оказались на дне океана. Затонувшие фрагменты скелетов и раковины, лежащие на мелководном морском дне, сжимались под огромным давлением в течение многих эпох, в результате чего образовался известняк. Иногда вода, богатая растворенным магнием, проходила через этот известняк, перекристаллизовывая его в карбонат кальция и магния, минерал, известный также как доломит.
|
|
|
|
Большая часть доломита встречается в виде долостона, соединения древних раковин и костей, которые часто содержат следы других минералов, но кристаллы доломита могут встречаться и сами по себе в осадочных породах и отложениях подземных гидротермальных жил, нагреваемых потоками магмы. Хотя он обычно встречается в породах возрастом более 100 миллионов лет, новые образования встречаются редко из-за того, как он образуется: кристаллы растут, когда атомы прикрепляются к поверхности существующего кристалла в определенном порядке.
|
|
|
|
Доломит также содержит магний, и когда магний и кальций со временем сжимаются вместе, эти два минерала в конечном итоге случайным образом присоединяются к предыдущим слоям, вызывая структурные дефекты, которые препятствуют росту. Приливы и дожди периодически смывают эти дефекты, потому что нестабильные атомы, которые неправильно расположены в кристаллической решетке, склонны растворяться в воде. В противном случае потребовалось бы около 10 миллионов лет, чтобы образовался только один слой доломита. Это сделало бы доломит недостаточно распространенным для использования в бетоне и других строительных, производственных и промышленных целях. По тем же причинам все попытки вырастить доломит в лабораторных условиях на протяжении двух столетий оказывались безуспешными. Но команда исследователей наконец-то придумала, как это сделать.
|
|
|
|
|
|
|
“Очевидное противоречие между огромными залежами доломита в природе и его неспособностью расти из перенасыщенных растворов, близких к условиям окружающей среды, является давней загадкой, известной как ”проблема доломита", - сказал ученый-материаловед Вэньхао Сун из Центра материаловедения с предсказательной структурой (PRISMS) Мичиганского университета, который возглавлял исследование. исследование, недавно опубликованное в журнале Science.
|
|
|
|
Предыдущие теории о том, почему доломит так трудно поддается образованию, приводили к еще большему разочарованию. Растворы, в которых растут кристаллы, должны быть перенасыщены высоким содержанием элементов, необходимых для образования кристаллов. Но, как выяснили ученые, доломит отказывается выпадать в осадок даже в перенасыщенных растворах при комнатной температуре в лаборатории. В одном неудачном эксперименте его пытались вырастить из раствора, который был перенасыщен в тысячу раз больше, но процесс не удавался в течение целых 32 лет.
|
|
|
|
Чтобы наконец решить эту давнюю проблему, Sun и команда PRISMS разработали программное обеспечение для моделирования дефектов формирования доломита. Предсказывая, сколько энергии потребуется для возникновения определенных атомных структур, а затем используя эту информацию для определения того, сколько энергии потребуется будущим структурам, можно, по крайней мере, смоделировать образование доломита.
|
|
|
|
Когда рост доломита был первоначально смоделирован при пересыщении в неразбавленном виде, он показал типичные структурные дефекты из-за неорганизованных атомов. Затем команда перешла к колебаниям перенасыщения, которые были смоделированы по образцу природных залежей доломита, которые обычно встречаются в прибрежных районах и средах, где выпадают осадки. Слишком большое количество воды сделало бы раствор ненасыщенным, но это также смыло бы нестабильные атомы на пути его роста, поэтому, когда избыток воды испарится, минерал продолжит расти. Поскольку Sun хотела понаблюдать за происходящим на самом деле, команда PRISMS сотрудничала с исследователями из Университета Хоккайдо Юки Кимурой и Томоей Ямадзаки.
|
|
|
|
Кимура и Ямадзаки поняли, что один из побочных эффектов просвечивающих электронных микроскопов является преимуществом в их стремлении кристаллизовать доломит. Электронные лучи, используемые этими микроскопами для получения изображений, могут расщеплять воду, образуя кислоту, которая разъедает кристаллы. Но то, что часто приводит к катастрофическим последствиям для получения изображений, имеет преимущество в виде растворения обструктивных дефектов в доломите, и обе исследовательские группы воспользовались этим явлением, многократно воздействуя электронным лучом на раствор в течение двух часов, чтобы устранить все, что было не на своем месте. При такой обработке дефекты в кристаллах растут медленнее, а также быстрее растворяются, поскольку обладают более высокой энергией.
|
|
|
|
Совместными усилиями ученым удалось вырастить 300 слоев доломита, которые все еще невидимы невооруженным глазом при толщине около 100 нанометров или 1/250 000 дюйма, но этот результат намного превосходит результаты предыдущих экспериментов, в которых никогда не удавалось получить более пяти слоев. Выращивание доломита больше не потребует временных рамок, в течение которых произойдет несколько массовых вымираний, прежде чем его будет достаточно для обеспечения нуждающихся в нем отраслей промышленности. В будущем приложения, использующие доломит, такие как аккумуляторы, полупроводники и солнечные панели, могут извлечь выгоду из этого прорыва в ускорении его производства.
|
|
|
|
“Дефектные участки обладают большей энергией, чем нетронутые, и, следовательно, будут растворяться быстрее и расти медленнее, что со временем приведет к общему перемещению атомов из дефектных участков в нетронутые”, - сказал Сан. “Намеренно вводя периоды умеренного перенасыщения, можно облегчить растворение дефектов, растворение которых в противном случае происходило бы очень медленно при постоянном высоком перенасыщении”.
|
|
|
|
Источник
|
