I 200 år har forskare misslyckats med att odla ett vanligt mineral i laboratoriet under de förhållanden som tros ha bildat det naturligt. Nu har ett team av forskare från University of Michigan och Hokkaido University i Sapporo, Japan äntligen lyckats, tack vare en ny teori som utvecklats från atomsimuleringar.
Deras framgång löser ett mångårigt geologiskt mysterium som kallas "Dolomitproblemet". Dolomit – ett nyckelmineral i Dolomiterna i Italien, Niagarafallen och Utahs Hoodoos – är mycket rikligt förekommande i bergarter äldre än 100 miljoner år, men nästan frånvarande i yngre formationer.
"Om vi förstår hur dolomit växer i naturen kan vi lära oss nya strategier för att främja kristalltillväxten av moderna tekniska material", säger Wenhao Sun, professor i Dows tidiga karriär i materialvetenskap och teknik vid U-M och motsvarande författare till den publicerade artikeln. idag i Science .
Hemligheten med att äntligen odla dolomit i labbet var att ta bort defekter i mineralstrukturen när den växer. När mineraler bildas i vatten avsätts atomer vanligtvis snyggt på en kant av den växande kristallytan. Dock består tillväxtkanten av dolomit av omväxlande rader av kalcium och magnesium.
I vatten kommer kalcium och magnesium slumpmässigt att fästa till den växande dolomitkristallen, ofta fastnar på fel plats och skapar defekter som förhindrar att ytterligare lager av dolomit bildas. Denna sjukdom saktar ner dolomittillväxten till en krypning, vilket innebär att det skulle ta 10 miljoner år att göra bara ett lager av ordnad dolomit.
Lyckligtvis är dessa defekter inte låsta på plats. Eftersom de oordnade atomerna är mindre stabila än atomer i rätt position är de de första som löses upp när mineralet tvättas med vatten. Genom att upprepade gånger skölja bort dessa defekter - till exempel med regn eller tidvattencykler - kan ett dolomitskikt bildas på bara några år. Under geologisk tid kan berg av dolomit ackumuleras.
För att simulera dolomittillväxt exakt behövde forskarna beräkna hur starkt eller löst atomer kommer att fästa på en befintlig dolomityta. De mest exakta simuleringarna kräver energin från varje enskild interaktion mellan elektroner och atomer i den växande kristallen. Sådana uttömmande beräkningar kräver vanligtvis enorma mängder datorkraft, men programvara utvecklad vid UM:s Predictive Structure Materials Science (PRISMS) Center erbjöd en genväg.
"Vår programvara beräknar energin för vissa atomarrangemang och extrapolerar sedan för att förutsäga energierna för andra arrangemang baserat på kristallstrukturens symmetri", säger Brian Puchala, en av mjukvarans ledande utvecklare och associerad forskare vid UM:s avdelning av materialvetenskap och teknik.
Den genvägen gjorde det möjligt att simulera dolomittillväxt över geologiska tidsskalor.
"Varje atomsteg skulle normalt ta över 5 000 CPU-timmar på en superdator. Nu kan vi göra samma beräkning på 2 millisekunder på en dator", säger Joonsoo Kim, doktorand i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och studiens första författare.
De få områden där dolomit bildas idag svämmar över och torkar senare ut, vilket stämmer väl överens med Sun och Kims teori. Men sådana bevis ensamma var inte tillräckligt för att vara helt övertygande. Ange Yuki Kimura, en professor i materialvetenskap från Hokkaido University, och Tomoya Yamazaki, en postdoktor i Kimuras labb. De testade den nya teorin med en egenhet av transmissionselektronmikroskop.
"Elektronmikroskop använder vanligtvis elektronstrålar bara för att avbilda prover," sa Kimura. "Men strålen kan också dela vatten, vilket gör syra som kan få kristaller att lösas upp. Vanligtvis är detta dåligt för avbildning, men i det här fallet är upplösning precis vad vi ville ha."
Efter att ha placerat en liten dolomitkristall i en lösning av kalcium och magnesium, pulserade Kimura och Yamazaki försiktigt elektronstrålen 4 000 gånger under två timmar och löste upp defekterna. Efter pulserna sågs dolomit växa cirka 100 nanometer - cirka 250 000 gånger mindre än en tum. Även om detta bara var 300 lager dolomit, hade aldrig mer än fem lager dolomit odlats i labbet tidigare.
Lärdomarna från Dolomitproblemet kan hjälpa ingenjörer att tillverka material av högre kvalitet för halvledare, solpaneler, batterier och annan teknik.
"Tidigare försökte kristallodlare som ville göra material utan defekter att odla dem riktigt långsamt", sa Sun. "Vår teori visar att du kan odla defektfria material snabbt om du periodvis löser bort defekterna under tillväxten."
Mer information: Joonsoo Kim et al, Upplösning möjliggör dolomitkristalltillväxt nära omgivningsförhållanden, Science (2023). DOI:10.1126/science.adi3690. www.science.org/doi/10.1126/science.adi3690
Juan Manuel García-Ruiz, En fluktuerande lösning på dolomitproblemet, Vetenskap (2023). DOI:10.1126/science.adl1734 , www.science.org/doi/10.1126/science.adl1734
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av University of Michigan
