Norint sukurti dolomito, įprasto mineralo, kalnus, jis turi būti periodiškai lydomas. Ši iš pažiūros prieštaringa koncepcija gali padėti padaryti naujus produktus nepriekaištingus Puslaidininkiai Ir dar.

Du šimtmečius mokslininkams nepavyko laboratorijoje pagaminti įprasto mineralo sąlygomis, kurios, kaip manoma, susiformavo natūraliai. Dabar mokslininkų komanda iš Mičigano universiteto ir Hokaido universitetas Sapore Japonija pagaliau tai pasiekė dėl naujos teorijos, sukurtos naudojant atominį modeliavimą.

Jų sėkmė išsprendžia ilgalaikę geologinę paslaptį, vadinamą „Dolomito problema“. Dolomitas – pagrindinis mineralas, randamas Dolomitų kalnuose Italijoje, Niagaros kriokliuose, Baltosiose Doverio uolose ir Hudū Jutoje – gausu uolienose. Senesnis nei 100 milijonų metųTačiau jaunose formacijose jo beveik nėra.

Wenhao Sun, Mičigano universiteto medžiagų mokslo ir inžinerijos profesoriaus asistentas, ir profesoriaus Sun tyrimų grupės medžiagų mokslo ir inžinerijos doktorantas Junsu Kimas demonstruoja dolomito uolienas iš savo laboratorijos kolekcijos. Abu mokslininkai sukūrė teoriją, kuri pagaliau galėtų paaiškinti dviejų šimtmečių senumo paslaptį apie dolomito gausą Žemėje. Autoriai: Marcin Szczybanski, vyresnysis daugialypės terpės pasakotojas, Mičigano inžinerija.

Svarbu suprasti dolomito augimą

„Jei suprasime, kaip dolomitas auga gamtoje, galime išmokti naujų strategijų, kaip pagerinti šiuolaikinių technologinių medžiagų kristalų augimą“, – neseniai sakė Wenhao Sun, Dow universiteto medžiagų mokslo ir inžinerijos profesorius ir atitinkamas šio straipsnio autorius. Paskelbta m Mokslai.

Paslaptis, kaip pagaliau laboratorijoje užauginti dolomitą, buvo mineralinės struktūros defektų pašalinimas jam augant. Kai vandenyje susidaro mineralai, atomai paprastai tvarkingai nusėda augančio kristalinio paviršiaus pakraštyje. Tačiau dolomito augimo kraštą sudaro kintamos kalcio ir magnio eilės. Vandenyje prie augančio dolomito kristalo atsitiktinai prisitvirtina kalcis ir magnis, dažnai nusėda netinkamoje vietoje ir susidaro defektų, neleidžiančių susidaryti papildomiems dolomito sluoksniams. Šis trikdymas sulėtina dolomito augimą iki šliaužimo, o tai reiškia, kad vienam sutvarkyto dolomito sluoksniui pagaminti prireiktų 10 milijonų metų.

Dolomito kristalo briaunos struktūra. Magnio eilės (oranžiniai rutuliukai) kaitaliojasi su kalcio eilėmis (mėlyni rutuliukai), įsiterpę į karbonatus (juodos struktūros). Rožinės rodyklės rodo kristalų augimo kryptis. Kalcis ir magnis dažnai neteisingai jungiasi prie augimo krašto, stabdydami dolomito augimą. Vaizdo šaltinis: Junsu Kim, Mičigano universiteto medžiagų mokslo ir inžinerijos doktorantas.

Laimei, šie defektai nėra ištaisyti vietoje. Kadangi netvarkingi atomai yra mažiau stabilūs nei teisingoje padėtyje esantys atomai, jie pirmieji ištirpsta, kai metalas plaunamas vandeniu. Pakartotinai nuplaunant šiuos defektus, pavyzdžiui, dėl lietaus ar potvynio ciklų, dolomito sluoksnis susidaro vos per keletą metų. Geologiniu laiku gali kauptis dolomito kalnai.

Išplėstinė modeliavimo technika

Norėdami tiksliai imituoti dolomito augimą, mokslininkai turėjo apskaičiuoti, kaip stipriai ar silpnai atomai buvo prijungti prie esamo dolomito paviršiaus. Tikslesniam modeliavimui reikalinga kiekvienos elektronų ir atomų sąveikos energija augančiame kristale. Tokiems išsamiems skaičiavimams paprastai reikia didžiulės skaičiavimo galios, tačiau Merilendo universiteto Nuspėjamųjų konstrukcinių medžiagų mokslo centre (PRISMS) sukurta programinė įranga suteikė nuorodą.

„Mūsų programinė įranga apskaičiuoja kai kurių atominių išdėstymų energiją, o tada jas ekstrapoliuoja, kad pagal kristalų struktūros simetriją prognozuotų kitų konstrukcijų energiją“, – sakė vienas iš pagrindinių programos kūrėjų ir universiteto asocijuotas mokslininkas Brianas Buchala. Merilendo departamento. Medžiagų mokslas ir inžinerija.

Šis spartusis klavišas leido imituoti dolomito augimą per geologinį laikotarpį.

Dolomitas yra mineralas, taip paplitęs senovinėse uolienose, kad sudaro kalnus, tokius kaip to paties pavadinimo kalnų grandinė šiaurės Italijoje. Tačiau dolomitas yra retas jaunesnėse uolienose ir negali būti pagamintas laboratorijoje tokiomis sąlygomis, kuriomis jis susidarė natūraliai. Nauja teorija padėjo mokslininkams pirmą kartą auginti mineralą laboratorijoje esant normaliai temperatūrai ir slėgiui ir gali padėti paaiškinti dolomito trūkumą jaunesnėse uolienose. Vaizdo šaltinis: Francesca.z73 per Wikimedia Commons.

„Kiekvienam atominiam žingsniui superkompiuteryje paprastai reikia daugiau nei 5000 procesoriaus valandų. Dabar tą patį skaičiavimą galime atlikti per 2 milisekundes darbalaukyje”, – sakė Junsu Kim, medžiagų mokslo ir inžinerijos doktorantas ir pirmasis tyrimo autorius.

Praktinis taikymas ir teorijos patikrinimas

Keletas vietovių, kuriose šiandien susidaro dolomitas, su pertraukomis užliejamos ir vėliau išdžiūsta, o tai gerai atitinka Sun ir Kimo teoriją. Tačiau vien tokių įrodymų nepakako, kad būtų visiškai įtikinami. Įveskite Yuki Kimura, medžiagų mokslo profesorių iš Hokaido universiteto ir Tomoya Yamazaki, Kimuros laboratorijos doktorantūros tyrėją. Jie išbandė naują teoriją naudodami perdavimo elektronų mikroskopus.

„Elektroniniai mikroskopai paprastai naudoja tik elektronų pluoštus mėginiams vaizduoti”, – sakė Kimura. „Tačiau spindulys taip pat gali padalinti vandenį, todėl… rūgštus Dėl kurių kristalai gali ištirpti. Paprastai tai blogai fotografuojant, tačiau šiuo atveju dekompozicija yra būtent tai, ko norėjome.

Įdėję nedidelį dolomito kristalą į kalcio ir magnio tirpalą, Kimura ir Yamazaki per dvi valandas švelniai pulsavo elektronų pluoštą 4000 kartų, pašalindami defektus. Po impulsų buvo pastebėta, kad dolomitas auga maždaug 100 nanometrų, maždaug 250 000 kartų mažesnis nei colis. Nors tai buvo tik 300 dolomito sluoksnių, anksčiau laboratorijoje nebuvo išauginta daugiau nei penki dolomito sluoksniai.

Dolomito problemos pamokos galėtų padėti inžinieriams gaminti aukštesnės kokybės medžiagas puslaidininkiams, saulės kolektoriams, baterijoms ir kitoms technologijoms.

„Anksčiau kristalų augintojai, norintys gaminti nepriekaištingas medžiagas, stengdavosi jas auginti labai lėtai“, – sakė Sun. „Mūsų teorija rodo, kad galite greitai išauginti be defektų medžiagas, jei augimo metu periodiškai pašalinsite defektus.”

Nuoroda: Junsu Kim, Yuki Kimura, Brian Buchala, Tomoya Yamazaki, Udo Becker ir Wenhao Sun „Tirpimas leidžia augti dolomito kristalams esant artimoms aplinkos sąlygoms“, 2023 m. lapkričio 23 d. Mokslai.
doi: 10.1126/science.adi3690

Tyrimą finansavo Amerikos chemijos draugijos PRF, JAV Energetikos departamento ir Japonijos mokslo skatinimo draugijos nauja daktaro tyrėjo stipendija.