Aby sa vytvorili hory dolomitu, bežného minerálu, musí sa pravidelne taviť. Tento zdanlivo protichodný koncept môže pomôcť k bezchybnosti nových produktov Polovodiče A viac.

Počas dvoch storočí vedci nedokázali vyrobiť bežný minerál v laboratóriu za podmienok, o ktorých sa predpokladá, že sa vytvorili prirodzene. Teraz tím výskumníkov z University of Michigan a Univerzita Hokkaido V Sappore to Japonsko konečne dosiahlo vďaka novej teórii vyvinutej prostredníctvom atómových simulácií.

Ich úspech rieši dlhotrvajúcu geologickú záhadu nazývanú „problém Dolomitov“. Dolomit – hlavný minerál nachádzajúci sa v Dolomitoch v Taliansku, Niagarských vodopádoch a Hoodoo v Utahu – je hojný v horninách Staršie ako 100 miliónov rokovV mladých formáciách však takmer chýba.

Wenhao Sun, asistent profesora materiálovej vedy a inžinierstva Dow na University of Michigan, a Junsu Kim, doktorand materiálovej vedy a inžinierstva vo výskumnej skupine profesora Suna, ukazujú dolomitové horniny zo zbierky ich laboratória. Dvaja vedci vyvinuli teóriu, ktorá by mohla konečne vysvetliť dve storočia starú záhadu o množstve dolomitu na Zemi. Kredit: Marcin Szczybanski, Senior Multimedia Storyteller, Michigan Engineering.

Dôležitosť pochopenia rastu dolomitu

„Ak pochopíme, ako dolomit rastie v prírode, môžeme sa naučiť nové stratégie na zlepšenie rastu kryštálov moderných technologických materiálov,“ povedal nedávno Wenhao Sun, profesor materiálovej vedy a inžinierstva na Dow University a zodpovedajúci autor článku. Vydaný v vedy.

Tajomstvom konečného pestovania dolomitu v laboratóriu bolo odstraňovanie defektov v minerálnej štruktúre počas rastu. Keď sa vo vode tvoria minerály, atómy sa zvyčajne úhľadne ukladajú na okraji rastúceho kryštalického povrchu. Rastová hrana dolomitu však pozostáva zo striedajúcich sa radov vápnika a horčíka. Vo vode sa vápnik a horčík náhodne pripájajú k rastúcemu kryštálu dolomitu, často sa usadzujú na nesprávnom mieste a vytvárajú defekty, ktoré bránia tvorbe ďalších vrstiev dolomitu. Toto narušenie spomaľuje rast dolomitu na plazenie, čo znamená, že vytvorenie len jednej vrstvy usporiadaného dolomitu by trvalo 10 miliónov rokov.

Štruktúra okrajov z dolomitového kryštálu. Rad horčíka (oranžové guľôčky) sa striedajú s radmi vápnika (modré guľôčky), poprekladané uhličitanmi (čierne štruktúry). Ružové šípky ukazujú smer rastu kryštálov. Vápnik a horčík sa často nesprávne viažu na rastovú hranu, čím zastavujú rast dolomitu. Zdroj obrázkov: Junsu Kim, doktorand v odbore Materials Science and Engineering, University of Michigan.

Našťastie tieto chyby nie sú opravené. Pretože neusporiadané atómy sú menej stabilné ako atómy v správnej polohe, rozpúšťajú sa ako prvé, keď sa kov premyje vodou. Opakované omývanie týchto porúch – napríklad dažďom alebo prílivovými cyklami – umožňuje vytvorenie dolomitovej vrstvy len v priebehu niekoľkých rokov. V priebehu geologického času sa môžu hromadiť dolomity.

Pokročilé simulačné techniky

Na presnú simuláciu rastu dolomitu potrebovali výskumníci vypočítať, ako silne alebo slabo boli atómy pripojené k povrchu existujúceho dolomitu. Presnejšie simulácie vyžadujú energiu každej interakcie medzi elektrónmi a atómami v rastúcom kryštáli. Takéto vyčerpávajúce výpočty zvyčajne vyžadujú obrovské množstvo výpočtového výkonu, ale softvér vyvinutý v Centre for Predictive Structural Materials Science (PRISMS) na univerzite v Marylande poskytol skratku.

„Náš softvér vypočítava energiu niektorých atómových usporiadaní a potom ich extrapoluje, aby predpovedal energie iných usporiadaní na základe symetrie kryštálovej štruktúry,“ povedal Brian Buchala, jeden z hlavných vývojárov programu a vedecký vedecký pracovník na univerzite. departementu Maryland. Materiálová veda a inžinierstvo.

Táto skratka umožnila simulovať rast dolomitu v geologických časových intervaloch.

Dolomit je minerál, ktorý je v starovekých horninách taký bežný, že vytvára pohoria, ako napríklad pohorie rovnakého mena v severnom Taliansku. Dolomit je však v mladších horninách zriedkavý a nedá sa vyrobiť v laboratóriu za podmienok, v ktorých sa prirodzene vytvoril. Nová teória pomohla vedcom po prvýkrát pestovať minerál v laboratóriu pri normálnej teplote a tlaku a mohla by pomôcť vysvetliť nedostatok dolomitu v mladších horninách. Zdroj obrázkov: Francesca.z73 cez Wikimedia Commons.

„Každý atómový krok zvyčajne trvá viac ako 5 000 hodín CPU na superpočítači. Teraz dokážeme urobiť rovnaký výpočet za 2 milisekúndy na stolnom počítači,“ povedal Junsu Kim, doktorand v odbore materiálové vedy a inžinierstvo a prvý autor štúdie.

Praktická aplikácia a testovanie teórie

Niekoľko oblastí, kde sa dnes tvorí dolomit, je občas zaplavených a neskôr vysychá, čo dobre súhlasí so Sun a Kimovou teóriou. Ale takýto dôkaz sám o sebe nestačil na to, aby bol úplne presvedčivý. Vstúpi Yuki Kimura, profesor materiálovej vedy z Hokkaido University, a Tomoya Yamazaki, postdoktorandský výskumník v Kimurovom laboratóriu. Novú teóriu testovali pomocou transmisných elektrónových mikroskopov.

„Elektrónové mikroskopy zvyčajne používajú iba elektrónové lúče na zobrazenie vzoriek, “ povedal Kimura. „Lúč však môže tiež rozdeliť vodu, takže… kyslé Čo môže spôsobiť rozpustenie kryštálov. To je pre fotografiu zvyčajne zlé, ale v tomto prípade je rozklad presne taký, aký sme chceli.

Po umiestnení malého kryštálu dolomitu do roztoku vápnika a horčíka Kimura a Yamazaki jemne pulzovali elektrónovým lúčom 4000-krát počas dvoch hodín, čím odstránili defekty. Po impulzoch bolo vidieť, že dolomit rastie asi o 100 nanometrov, čo je asi 250 000-krát menej ako palec. Hoci išlo len o 300 vrstiev dolomitu, nikdy predtým sa v laboratóriu nevypestovalo viac ako päť vrstiev dolomitu.

Ponaučenia získané z problému dolomitov by mohli pomôcť inžinierom vyrábať kvalitnejšie materiály pre polovodiče, solárne panely, batérie a ďalšie technológie.

„V minulosti sa pestovatelia kryštálov, ktorí chceli vyrábať bezchybné materiály, snažili ich pestovať veľmi pomaly,“ povedal Sun. „Naša teória ukazuje, že môžete rýchlo pestovať materiály bez defektov, ak počas rastu pravidelne rozpúšťate defekty.“

Referencia: „Tavenie umožňuje rast kryštálov dolomitu pri okolitých podmienkach“ od Junsu Kim, Yuki Kimura, Brian Buchala, Tomoya Yamazaki, Udo Becker a Wenhao Sun, 23. novembra 2023, vedy.
doi: 10.1126/science.adi3690

Výskum bol financovaný z grantu New Doctoral Investigator Grant od Americkej chemickej spoločnosti PRF, Ministerstva energetiky USA a Japonskej spoločnosti na podporu vedy.