Щоб створити гори з доломіту, звичайного мінералу, його необхідно періодично розчиняти. Ця, здавалося б, парадоксальна концепція може допомогти створити нові бездефектні напівпровідники тощо. Протягом двох століть вченим не вдавалося виростити звичайний мінерал у лабораторії в умовах, які, як вважають, утворилися природним шляхом. Тепер команда дослідників з Університету Мічигану та Університету Хоккайдо в Саппоро, Японія, нарешті зробила це завдяки новій теорії, розробленій на основі атомного моделювання.
Їх успіх розв’язує давню геологічну таємницю під назвою «проблема доломіту». Доломіт — ключовий мінерал у Доломітових горах в Італії, Ніагарському водоспаді, Білих скелях Дувра та Худу в Юті — дуже поширений у гірських породах старше 100 мільйонів років, але майже відсутній у молодших утвореннях.
Важливість розуміння зростання доломіту
«Якщо ми зрозуміємо, як росте доломіт у природі, ми можемо вивчити нові стратегії сприяння росту кристалів сучасних технологічних матеріалів», — сказав Веньхао Сун, професор матеріалознавства та інженерії Dow на початку кар’єри в Університеті Університету та відповідний автор статті. опубліковано в Science.
Секрет остаточного вирощування доломіту в лабораторії полягав у видаленні дефектів у структурі мінералу під час його зростання. Коли мінерали утворюються у воді, атоми зазвичай акуратно осідають на краю кристалічної поверхні, що росте. Проте межа росту доломіту складається з чергування рядів кальцію та магнію. У воді кальцій і магній випадково прикріплюються до кристалів доломіту, що ростуть, часто застрягаючи не в тому місці та створюючи дефекти, які перешкоджають утворенню додаткових шарів доломіту. Цей розлад уповільнює ріст доломіту до повзання, тобто знадобиться 10 мільйонів років, щоб створити лише один шар упорядкованого доломіту.
На щастя, ці дефекти не зафіксовані на місці. Оскільки невпорядковані атоми менш стабільні, ніж атоми в правильному положенні, вони першими розчиняються, коли мінерал промивається водою. Багаторазове змивання цих дефектів — наприклад, дощем або циклами припливів — дозволяє сформувати доломітовий шар лише за кілька років. Протягом геологічного часу можуть накопичуватися гори доломіту.
Передові методи моделювання
Щоб точно змоделювати ріст доломіту, дослідникам потрібно було обчислити, наскільки міцно або нещільно атоми прикріпляться до існуючої поверхні доломіту. Для найточнішого моделювання потрібна енергія кожної окремої взаємодії між електронами та атомами у зростаючому кристалі. Такі вичерпні розрахунки зазвичай вимагають величезної обчислювальної потужності, але програмне забезпечення, розроблене в Центрі прогнозної структури матеріалознавства U-M (PRISMS), запропонувало короткий шлях.
«Наше програмне забезпечення розраховує енергію для деяких структур атомів, а потім екстраполює, щоб передбачити енергії для інших структур на основі симетрії кристалічної структури», — сказав Брайан Пучала, один із провідних розробників програмного забезпечення та науковий співробітник відділу U-M. матеріалознавства та інженерії. Цей ярлик зробив можливим моделювання зростання доломіту в геологічних масштабах часу.
«Кожен атомарний крок зазвичай займає понад 5000 годин ЦП на суперкомп’ютері. Тепер ми можемо зробити те саме обчислення за 2 мілісекунди на настільному комп’ютері», – сказав Джунсу Кім, докторант матеріалознавства та інженерії та перший автор дослідження.
Практичне застосування та перевірка теорії
Кілька областей, де сьогодні утворюється доломіт, періодично затоплюються, а потім висихають, що добре узгоджується з теорією Суна та Кіма. Але лише таких доказів було недостатньо, щоб бути повністю переконливими. З’являються Юкі Кімура, професор матеріалознавства з Університету Хоккайдо, і Томоя Ямазакі, докторант у лабораторії Кімури. Вони перевірили нову теорію за допомогою трансмісійних електронних мікроскопів.
«Електронні мікроскопи зазвичай використовують електронні промені лише для зображення зразків», — сказав Кімура. «Однак промінь також може розщеплювати воду, утворюючи кислоту , яка може спричинити розчинення кристалів. Зазвичай це погано для візуалізації, але в цьому випадку розчинення – це саме те, чого ми хотіли».
Помістивши крихітний кристал доломіту в розчин кальцію і магнію, Кімура і Ямазакі обережно поштовхували електронний промінь 4000 разів протягом двох годин, розчиняючи дефекти. Після імпульсів було видно, що доломіт виріс приблизно на 100 нанометрів — приблизно у 250 000 разів менше ніж дюйм. Хоча це було лише 300 шарів доломіту, ніколи раніше в лабораторії не було вирощено більше ніж п’ять шарів доломіту. Уроки, отримані з проблеми доломітів, можуть допомогти інженерам виробляти якісніші матеріали для напівпровідників, сонячних панелей, батарей та іншої техніки.
«У минулому виробники кристалів, які хотіли виробляти матеріали без дефектів, намагалися вирощувати їх дуже повільно», — сказав Сан. «Наша теорія показує, що ви можете швидко вирощувати бездефектні матеріали, якщо періодично розчиняти дефекти під час росту».